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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2018-08-09 16:26
自2014年起中國(guó)實(shí)施YY0505-2012標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)制要求醫(yī)療電子設(shè)備通過(guò)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)。四年來(lái),大量的醫(yī)療電子設(shè)備未能通過(guò)其中的傳導(dǎo)EMI噪聲檢測(cè),需進(jìn)一步處理其傳導(dǎo)EMI噪聲,以改進(jìn)其電磁兼容性能。整改傳導(dǎo)噪聲超標(biāo)的醫(yī)療電子設(shè)備,首要在于分析其傳導(dǎo)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理,其次是在噪聲診斷結(jié)果的基礎(chǔ),采取有效的噪聲抑制措施。
01 瞬態(tài)電源電流引起的傳導(dǎo)EMI 噪聲
數(shù)字電路中包含各種數(shù)字芯片(integrated circuit,簡(jiǎn)稱IC),每個(gè)IC都集成了大量的邏輯電路。圖1(a)中,CMOS邏輯門開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流。當(dāng)邏輯門由低電平向高電平切換時(shí),由于電容兩端電壓不能產(chǎn)生突變,在芯片電路中,會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流IL,此電流會(huì)給負(fù)載電容CL充電。
同時(shí),在邏輯門由高到低和由低到高的轉(zhuǎn)換中,圖1(a)中兩個(gè)晶體管部分導(dǎo)通,在電源VCC和地之間,將產(chǎn)生一個(gè)較小的等效阻抗。該阻抗消耗的等效瞬態(tài)電流為Id。IC產(chǎn)生的總瞬態(tài)電流,如圖1(b)所示,為IL和Id的總和。
當(dāng)數(shù)字IC切換時(shí),會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電源電流,經(jīng)過(guò)地與直流電源負(fù)極形成回路,在直流電源線上引起差模傳導(dǎo)EMI噪聲。
02 接地不良引起的傳導(dǎo)EMI 噪聲
被測(cè)設(shè)備的接地系統(tǒng)接地不良是引起傳導(dǎo)EMI噪聲的重要原因。接地阻抗不為零,導(dǎo)致接地電流引起接地噪聲電壓,產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI噪聲。當(dāng)接地阻抗過(guò)大時(shí),會(huì)引起過(guò)多的傳導(dǎo)EMI噪聲。
當(dāng)接地阻抗過(guò)大時(shí),傳導(dǎo)EMI噪聲等效電路如圖2(a)所示。其中,ICM為接地噪聲電流,圖中以等效電流源表示;ZCM為接地阻抗,同時(shí)也是噪聲源等效內(nèi)阻;Zload為設(shè)備火線對(duì)地或零線對(duì)地之間的負(fù)載阻抗;Uload負(fù)載阻抗兩端上的傳導(dǎo)EMI噪聲信號(hào),是共模EMI噪聲信號(hào)。Uload的表達(dá)式,如下式所示:
圖:公式一
由上式可知,接地阻抗ZCM越大,則引起的傳導(dǎo)EMI噪聲越大。
另外,當(dāng)接地阻抗一定,即共模傳導(dǎo)EMI噪聲源內(nèi)阻抗一定時(shí),電源線對(duì)地之間的負(fù)載阻抗也一定時(shí),浮地與真正的地之間的寄生阻抗也會(huì)引起傳導(dǎo)EMI噪聲。
圖2(b)中,設(shè)UCM為EUT的共模傳導(dǎo)EMI噪聲源,其噪聲源內(nèi)阻抗為ZCM,設(shè)備火線對(duì)地和零線對(duì)地之間的阻抗等效為線路上的負(fù)載阻抗Zload,負(fù)載阻抗上的噪聲電壓Uload即為火線對(duì)地和零線對(duì)地的傳導(dǎo)EMI噪聲。由于接地不良,浮地與真正的地之間存在寄生電容和寄生電感。ZS為包含了寄生電容和寄生電感組成的寄生阻抗,與線路負(fù)載阻抗串聯(lián)形成新的等效負(fù)載阻抗ZL,其上的傳導(dǎo)EMI噪聲為UL,二者之差ΔU,即為因接地不良引起的共模傳導(dǎo)EMI噪聲。如式下式所示:
圖:公式二
03 串?dāng)_引起的傳導(dǎo)EMI 噪聲
醫(yī)療電子設(shè)備中一些搭載高頻時(shí)變信號(hào)的線纜上含有大量的傳導(dǎo)EMI 噪聲,通過(guò)串?dāng)_的方式使得其它線纜上也感應(yīng)出傳導(dǎo)EMI噪聲。尤其是通訊系統(tǒng)的數(shù)字控制線中,搭載著來(lái)自PCB數(shù)字器件上的高頻數(shù)字信號(hào),在其周圍產(chǎn)生射頻電磁場(chǎng),將數(shù)字控制線中的高頻EMI噪聲耦合感應(yīng)至其周圍的線纜上,造成串?dāng)_,在被干擾的線纜上引起傳導(dǎo)EMI 噪聲。
根據(jù)法拉第感應(yīng)定律,串?dāng)_引起的傳導(dǎo)EMI噪聲等效于電感耦合。如圖3所示,假設(shè)線纜1為醫(yī)療電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部載有傳導(dǎo)EMI噪聲的線纜,線纜2為設(shè)備火線或零線。V1為線纜1上的傳導(dǎo)EMI噪聲,R1為線纜1與地之間的電阻,VN為線纜2上因串?dāng)_引起的傳導(dǎo)EMI 噪聲,R2為線纜2與地之間的電阻。
假設(shè)線纜2是無(wú)源的閉合環(huán)路,環(huán)路面積為常數(shù),線纜1在線纜2中產(chǎn)生磁通量,其磁通密度隨時(shí)間正弦變化,M為線纜1和線纜2兩個(gè)電路之間的互感,則線纜2上的感應(yīng)傳導(dǎo)EMI噪聲電壓如下式表示,其中ω為角頻率。
圖:公式三
04 電容耦合引起的傳導(dǎo)EMI噪聲
醫(yī)療電子設(shè)備的傳導(dǎo)EMI噪聲測(cè)試頻段為高頻情況,要考慮寄生電容的影響,而線纜間通過(guò)電容耦合也會(huì)引起傳導(dǎo)EMI 噪聲。
如圖4 所示,假設(shè)線纜1為醫(yī)療電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部載有傳導(dǎo)EMI 噪聲的線纜,線纜2為設(shè)備火線或零線。線纜1上的傳導(dǎo)EMI噪聲通過(guò)電壓源V1表示,C1G是線纜1與地之間的電容,C12是線纜間的寄生電容,C2G是線纜2與地之間的電容,R為電路2與地之間的電阻,VN是線纜2上通過(guò)電容耦合引起的傳導(dǎo)EMI噪聲。根據(jù)等效電路圖,可求得因電容耦合在線纜2上引起的與地之間的傳導(dǎo)EMI噪聲電壓VN ,計(jì)算方法如下式所示:
圖:公式四
根據(jù)以上內(nèi)容分析,IC的高速切換引起的瞬態(tài)電源電流經(jīng)地流通至直流電源回路中,從而引起傳導(dǎo)EMI噪聲。若通過(guò)電源去耦將這些瞬態(tài)電流在流出IC管腳后返回至電源VCC管腳,則可有效抑制瞬態(tài)電源電流引起的傳導(dǎo)EMI噪聲。
由式(1)和式(2)可知,接地不良會(huì)引起過(guò)量的傳導(dǎo)EMI噪聲,因此,在設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)時(shí),須加強(qiáng)接地,將接地阻抗減到最小,同時(shí)減小浮地與真正的地之間的寄生阻抗。如果設(shè)備制造商出于成本考慮,不愿意重新設(shè)計(jì)PCB電路,還可以通過(guò)共模扼流圈與電容組合成濾波器來(lái)抑制接地不良引起的共模傳導(dǎo)EMI噪聲。
由式(3)可知,串?dāng)_引起的傳導(dǎo)EMI噪聲與線纜間的互感M和噪聲源線纜上的噪聲電流I1成正比,因此,可以通過(guò)減小互感M和噪聲電流I1抑制傳導(dǎo)EMI噪聲。M由幾何形狀和線纜間的媒介磁特性決定,采用雙絞線可有效減小耦合。在系統(tǒng)線纜上卡磁環(huán)、在線纜兩端對(duì)地并電容可減小噪聲電流。由式(4)可知,電容耦合引起的傳導(dǎo)EMI噪聲與線纜間的互電容及噪聲源線纜上的噪聲電壓成正比。因此,可通過(guò)增加線纜間距、屏蔽線纜的方式減小電容耦合。
來(lái)源:南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)