
1.設備接地電阻過高:
醫療設備接地電阻過高被列為十大問題之一,這是因為故障概率最高,設備電磁發射問題、自兼容問題和抗干擾問題,其根源與設備接地阻抗過高有關,通常這不是指普通低頻接地問題,也不是指接地問題,而是由于局部(如電路板或電纜)接地阻抗過高。高阻抗接地路徑往往導致電纜屏蔽故障和共模電流。
在高頻下,導線和編織線大多具有高阻抗性,因此設計師應避免應用導線或編織接地。根據經驗,每英寸長導線的感應抗為20nH。因此,在100mHz時,1英寸導線的感應抗可以達到12ω。因此,在射頻條件下,采取接地片是處理任何長度導線的良好方法,接地片的長寬比至少應達到5:1。也就是說,對于一個5英寸長的接地片,它的寬度至少應該是1英寸。
2.電纜屏蔽不足:
當設備遇到電磁發射或射頻抗干擾時,通常會涉及到電纜問題,電纜的接地阻抗在這里起著很大的作用。
單點接地的原則適用于低頻,但對射頻效果不大。更棘手的是,由于電纜不能終止到患者的終端,屏蔽不能在兩端接地。此外,當設備不能有效接地,甚至需要保持絕緣時,濾波有時比屏蔽更有效。
在低頻下,電纜的屏蔽層可以一端接地,但如果電纜的長度超過波長的l/20,則需要兩點或兩點以上的接地。這里需要指出的是,當電纜的長度是波長的1/4時,情況將是最糟糕的。順便說一下,市場上很多電纜屏蔽層都是編織產品,不利于解決射頻的電磁兼容性。此外,電纜的屏蔽層也容易損壞。例如,有些電纜屏蔽是由聚酯薄膜制成的,不是很結實。有時,即使輕微接觸,也會導致屏蔽物破裂,降低屏蔽效果,肉眼很難發現。
3.開關電源發射問題:
開關電源或AC/DC轉換器的電磁發射問題由來已久。開關電源的電路組成、布局和結構往往使開關電源的電磁發射成為其推廣應用中的一大問題。雖然這個問題很常見,但在醫學電子學中尤為重要,所以在醫療設備的電源體積和質量沒有問題的情況下,可以考慮采用傳統的線性穩壓電源。對于電源部分來說,體積和質量已經成為質量和性能的關鍵因素,因此如何選擇具有優異電磁兼容性能的開關電源已經成為醫療設備設計的重要組成部分。
4.電源線濾波器的使用:
由于醫療設備的電磁發射不局限于其內部開關電源,因此電源進線部分的線路濾波器也成為抑制高頻干擾的重要環節。一般電源線濾波器中有兩個共模干擾抑制電容器(Y電容器),可控制設備的共模電流,但這種小電容器不應用于醫療設備的電源線濾波器,因為它會導致設備泄漏電流過大。醫療設備對電源線濾波器的選擇原則使設計人員失去了抑制共模電流的有效手段,其余唯一可用的手段是增加電源線濾波器中串聯電感的阻抗。
為了設計一個優秀的電源線濾波器,濾波器的線路設計只是一小部分。濾波器內部元件的選擇、濾波器內部布局和結構以及濾波器內部元件的分布參數是決定電源線濾波器性能的真正關鍵因素。
5.液晶顯示器的電磁發射問題:
隨著計算技術的發展,醫療設備中使用單片機的情況越來越多,設備面板上使用液晶顯示器作為人機對話界面的情況也越來越多,液晶的應用也帶來了液晶顯示器的電磁發射問題。
液晶顯示器通常由電路板上特殊的排線驅動。由于液晶顯示器的高阻抗特性,發送到液晶顯示器的信號電流不能完全返回到電纜中,其中一小部分將形成電磁輻射進入周圍的電磁環境。
為了抑制液晶顯示器的電磁發射問題,首先需要使用盡可能短的電路將所有信號電流返回驅動電路板。一個更好的方法是在排線下設置一個接地板,以降低信號電流返回路徑中的阻抗。此外,作為液晶顯示結構的一部分,液晶顯示背面應設置金屬外殼的四個角。
6.設備內部線路的相互聯系:
在高頻狀態下,設備內部線路之間存在聯系問題,線路布局不當,特別是患者檢測信號輸入線路布局不當,往往是醫療設備設計成敗的直接原因。
在處理設備的電磁兼容性問題時,電感器或鐵氧體磁芯經常放置在線路的輸入和輸出之間,以抑制設備內外的射頻干擾,使朝向噪聲源端的電感器具有相當大的高頻電壓。這種高頻電壓可以通過電容耦合作用于附近的金屬物質,如接地層、電路板、散熱器等。因此,在使用這種干擾抑制方案時要非常小心,以避免與一些敏感器件或敏感電路耦合。
此外,當用鐵氧體磁芯吸收線路上的干擾時,將鐵芯體磁芯放在連接線外比將其放在電路板上更有效。因為這樣可以避免連接線與磁芯后面敏感線之間的耦合。
7.元器件的分布參數:
在醫療設備中,所選元件本身的缺陷也會限制其性能。眾所周知,所有電容器都有寄生串聯電感,構成串聯諧振電路:所有繞組匝間和層間分布電容,構成并聯諧振電路,遠低于想象。例如,許多電容器的諧振頻率低于100MNz;許多繞組電感器的諧振頻率低于20MHz,變壓器的諧振頻率低于5MHz。因此,電路設計人員應充分了解這些元件的實際性能,無論是濾波器還是脫耦元件,它們都有在諧振狀態下工作的可能性,這將導線與線之間的串擾,這不僅會損壞線路,還會導致信號傳輸非常糟糕。
8.信號傳輸中的阻抗不連續:
隨著高速數字電路的廣泛應用,印刷電路板中的電磁兼容性越來越重要,許多PCB問題可以概括為信號傳輸過程中的阻抗不連續性。
信號傳輸中的阻抗不連續問題總是圍繞著信號的循環回路。理想情況下,信號沿著一條線流出,然后沿著接地回線快速流回。然而,根據物理學中最小能量消耗定律,電流通常沿著最小能量路徑返回。此時,信號返回通道往往存在阻抗不連續的情況。一旦發生這種情況,就會引起信號反射和傳輸信號畸變。此外,在傳輸線路的不連續性上,還會導致輻射發射問題。
9.信號及其返回通道問題:
對于設備的布線,人們往往認為即使使用更多的接地返回線路,也會是一種浪費。由于大多數信號線與接地電路之間的距離太遠,接地電路應用作多跟信號線,甚至是所有信號線的接地電纜。此時,接地電纜至少有兩個問題。首先,由于接地電纜與大多數信號線之間的距離較遠,信號線與接地電纜之間的環天線相對較大,外部輻射發射和外部電荷干擾的接收問題不容忽視;其次,信號線共用接地電纜的公共阻抗問題不容忽視,特別是信號線傳輸速度高,信號邊緣陡,公共阻抗相互干擾問題特別嚴重。
在實踐中,傳輸線路需要多少根接地返回線路是合適的,這取決于數據的傳輸速率和傳輸線路的長度。對于信號超過100mHz的高速傳輸,建議使用信號對接地返回線,對于低于10mHz的低速傳輸,可折疊兩個(或多個)信號對接地返回線。
10.設備外殼的靜電放電問題:
靜電放電是一個常見且令人頭痛的問題。以塑料外殼醫療設備為例,為了減少塑料外殼設備的電磁發射,提高塑料外殼設備的抗射頻干擾能力,設計人員將在塑料外殼上進行導電噴涂。為了使導電噴涂效果明顯,通常需要噴涂塑料外殼組合部分的所有間隙,以實現組合產生的傳導連續性,但這種做法導致了新的靜電放電接觸點。換句話說,設計師在解決問題的同時引入了一個新的、非常困難的問題。
為了解決上述問題,設計師可以有三種選擇:重新設計線路和內部布局,盡量減少設備對導電噴涂的需求;重新噴涂設備外殼,盡量避免放電,特別小心使用屏蔽,以保護可能的放電間隙。
上述10個電磁兼容問題中有些已經存在了幾十年,有些在不久的將來更為常見。所有這些問題對醫療設備的設計都非常重要。如果設計師能在工作中避免這些問題,他們就會避免更多不必要的麻煩。
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