醫(yī)用開關電源的EMC設計方案

1、醫(yī)用開關電源的EMC設計目前，醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)大多采用成品開關電源， 而大部分供方 企業(yè)又不能提供符合以上系列標準要求的醫(yī)用“開關電源”， 因此有 必要簡單介紹一下醫(yī)用“開關電源”的 EMC設計。1正確選用模擬與邏輯有源器件電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度的關鍵是模擬與邏輯有源器件的選 用。有源器件可分為調(diào)諧器件和基本頻帶器件。調(diào)諧器件起帶通元件 作用，其頻率特性包括中心頻率、帶寬、選擇性和帶外亂真響應；基 本領帶器件起低通元件作用，其頻率特性包括截止頻率、通帶特性、 帶外抑制特性和亂真響應，此外它們還有輸入阻抗特性和輸入端的平 衡不平衡特性等。必須注意有源器件固有的敏感特性和電磁發(fā)射特 性。有源器件

2、有兩種電磁發(fā)射源：傳導干擾通過電源線、接地線和互 連線進行傳輸，并隨頻率增加而增加；輻射干擾通過器件本身或通過 互連線進行輻射，并隨頻率的平方而增加。瞬態(tài)地電流是傳導干擾和 輻射干擾的初始源，減少瞬態(tài)地電流必須減小接地阻抗和使用去耦電 容。模擬器件的敏感度特性取決于靈敏度和帶寬， 而靈敏度以器件的 固有噪聲為基礎。邏輯器件的敏感度特性取決于直流噪聲容限和噪聲 抗擾度。邏輯器件的翻轉(zhuǎn)時間越短，所占頻譜越寬，為此應當在保證 實現(xiàn)功能的前提下，盡可能增加信號的上升/下降時間。2 PCB板的設計實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會 對電子設備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如印制板兩條細

3、平行線靠得太 近，會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲；另外，由 于電源、地線的考慮不周而引起的干擾，會使產(chǎn)品的性能下降。因此, 在設計開關電源的PCB板設計時,應注意采用正確的方法。每一個開關電源都有四個電流回路：電源開關交流回路、輸出整 流交流回路、輸入信號源電流回路和輸出負載電流回路。電源開關交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形電流，這些電流中諧波成分很高，其頻率遠大于開關基頻，峰值幅度可高達持續(xù) 輸入/輸出直流電流幅度的5倍,過渡時間通常約為50 ns。這兩個回 路最容易產(chǎn)生電磁干擾，因此必須在電源中其它印制線布線之前先布 好這些交流回路。每個回路的三種主要的元件濾波電容

4、、 電源開關或 整流器、電感或變壓器應彼此相鄰地進行放置，調(diào)整元件位置使它們 之間的電流路徑盡可能短。輸入回路通過一個近似直流的電流對輸入電容充電， 輸入濾波電 容起到一個寬帶儲能作用一邏輯“地”。輸出濾波電容用來儲存來自 輸出整流器的高頻能量，同時消除輸出負載回路的直流能量。所以 ， 輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要，輸入及輸出電流回路應分別 只從濾波電容的接線端連接到電源。若無法與電容的接線端直接相 連，交流能量將由輸入或輸出濾波電容輻射到環(huán)境中。建立開關電源PCB板布局的最好設計流程是：放置變壓器、設計 開關電源電流回路、設計輸出整流器電流回路、連線到交流電源電路 的控制電路。3印制線

5、的布局開關電源中包含有高頻信號,PCB板上任何印制線都可以起到天 線的作用。印制線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗 ，從而影響頻率 響應，即使是通過直流信號的印制線也會從鄰近的印制線耦合到射頻 信號并引起電路的問題（甚至再次輻射出干擾信號）。因此，應將所有通過交流電的印制線設計得盡可能短而寬，將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件近距離放置。布線時，還應將電源線、地線 的走向與電流的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲的能力。4地線的設計4.1選擇單點接地考慮到電路各部分回流到地的電流具有差異性 ，地電位的變化引 入干擾，接地電路形成的環(huán)流又對干擾影響較大 ，因而需采用單點接 地法，使電源工作穩(wěn)

6、定，減少自激。單點接地，即是將電源開關電流 回路的幾個元器件地線都連到接地腳上，輸出整流器電流回路的幾個 器件的地線也接到相應的濾波電容的接地腳上。設計中，同一級電路的接地點應盡量靠近，且本級電路的電源濾波電容也應接在該級接地 點上。4.2加粗接地線接地電位則隨電流的變化而變化， 若接地線過細，會導致電子設 備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此，每一個大電流的接 地端都應盡量采用短而寬的印制線。地線、電源線和信號線的粗細關 系為：地線>電源線>信號線。若有可能，接地線的寬度應大于3 mm有時，也可采用大面積銅層或?qū)⒂≈瓢迳衔词褂玫牟糠峙c地相連 接作為地線。開關

7、電源“ DGDC轉(zhuǎn)換”的輸入與輸出電路應有共同的 參考地，可將兩邊地線分別鋪銅后，再連接在一起，形成共同的地。5共模干擾的產(chǎn)生和防止開關電源中的功率開關管和輸出二極管通常有較大的功率損耗， 為了散熱往往需要安裝散熱片或直接安裝在 PCB板上。器件安裝時需 要導熱性能好的絕緣片進行絕緣，這就使器件與PCB板和散熱器之間 產(chǎn)生了分布電容。開關電源的底板如果是交流電源的地線， 通過器件 與底板之間的分布電容會將電磁干擾耦合到交流輸入端，產(chǎn)生共模干擾。解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，這樣就割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途 徑。6開關電源屏蔽罩的采用為了抑制開

8、關電源產(chǎn)生的輻射，消除電磁干擾對其他電子設備的 影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個屏蔽 罩與醫(yī)療器械產(chǎn)品的機殼、地連為一體，就能對電磁場進行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用，例如，靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾；電磁屏蔽用的導體原則上可以 不接地，但不接地的屏蔽導體會增強靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負靜電屏 蔽”效應，所以仍以接地為好，這樣既電磁屏蔽又能同時發(fā)揮靜電屏 蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連，可為信號回路提供穩(wěn)定的 參考電位。因此，系統(tǒng)中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地 線各自形成接地母線后，最終都與大地相連。7電磁屏蔽材料的選擇

9、選擇具有較高導電、導磁特性的材料作為屏蔽材料，也是一種減 少電磁干擾的方法。7.1電磁密封襯墊電磁密圭寸襯墊的特性1）電磁密封襯墊是一種彈性好、導電性高的材料，將這種材料填充在縫隙處，能保持導電連續(xù)性，是解決縫隙電磁泄漏的好方法。在選用電磁密封襯墊時，需要熟悉以下特性參數(shù)： 轉(zhuǎn)移阻抗 轉(zhuǎn)移阻抗越低，則兩側(cè)屏蔽板之間的電磁泄漏越小，加襯墊后該縫隙的屏蔽效能越高; 硬度 襯墊的硬度應當適中。硬度太低，易造成接觸不良，屏 蔽效能較低；硬度太高，需要較大的壓力，給結(jié)構(gòu)設計造成困難； 壓縮永久形變壓縮永久形變越小越好；襯墊厚度襯墊的厚度應 能滿足接觸面不平整度的要求，利用其彈性將縫隙填充滿，達到導電 連

10、續(xù)性的目的。2）常見的電磁密封襯墊類型 金屬絲網(wǎng)襯墊 只適用于I GHz以下的頻率范圍。用金屬絲編 織成的彈性網(wǎng)套，為純金屬接觸，接觸電阻低；但金屬絲在高頻時會 呈現(xiàn)較大感抗，使屏蔽效能降低。 橡膠芯編織網(wǎng)套：將金屬絲編 織的網(wǎng)套套在發(fā)泡橡膠芯或硅橡膠芯上，具有很好的彈性和導電性。 導電橡膠襯墊 在硅橡膠內(nèi)填充金屬顆?；蚪饘俳z，構(gòu)成導電的彈 性物質(zhì)。由于導電橡膠中的導電顆粒之間的容抗在高頻時會降低， 因 此，填充金屬顆粒在高頻時屏蔽效能較高。 如果填充方向一致的金屬 絲，還可以做到純金屬接觸，但由于金屬絲在高頻時呈現(xiàn)較大感抗， 使屏蔽效能降低，所以填充金屬絲時只適用于低頻。鈹青銅指形簧片 鈹青

11、銅具有良好的導電性和彈性，可制成各種指形簧片。 螺 旋管襯墊：用鍍錫被銅或不銹鋼做成的螺旋管， 具有良好的彈性和導 電性，是目前屏蔽效能最高的襯墊。7.2導電化合物導電化合物包括各種導電膠和導電填充物。 環(huán)氧導電膠可用于金 屬之間、金屬與非金屬之間，各種硬性表面之間的導電粘接；可代替 焊錫，完成微波器件引線連接；可修復印制板線路，用于導電陶瓷、 天線元件、玻璃除霜、導電/導熱和微波等波導部件的粘接。硅脂導電膠用于將彈性的導電橡膠粘接固定在金屬表面上。導電填充物是一種高導電漿糊狀材料，用于無法加裝屏蔽襯墊的縫隙處， 固化后仍能保持彈性。7.3鐵氧體電磁干擾抑制元件鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁

12、性材料，它的制造工藝和機 械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。不同的鐵氧體電磁干擾抑制元件 具有不同的最佳抑制頻率范圍，磁導率越咼抑制的頻率就越低。此外， 鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時，長而細的形狀比 短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流 偏流的情況下，還存在鐵氧體飽和的問題，抑制元件橫截面越大，越 不易飽和，可承受的偏流越大。鐵氧體元件廣泛應用于印制電路板、 電源線和數(shù)據(jù)線上。鐵氧體 磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，具 有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。印制板的電源線入口端加上鐵氧體 抑制元件，可以濾除高頻干擾。鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近干擾源的地方， 對