医疗设备中的开关电源电磁兼容问题

医疗设备产业是关系人们生命健康的新兴产业,而开关电源作为医疗设备必不可少的一部分,相比其他的普通电源有更为苛刻的要求。那么医用的开关电源和我们所使用的普通电源的区别到底在哪里呢?

就目前来说,大部分的医用设备都是和医用电源搭配使用的,而到现在为止,电源行业也在不断的快速发展,电源本身的体积相比以前已经大大缩小了,而且外观、体积等方面也越来越适应现在的需求。

因为医疗设备一般都是在特殊的环境中使用,所以对于医用电源的电性要求是非常严格的。例如,必须满足IEC60601-1安规的绝缘和漏电流要求,以及针对电磁兼容的YY0505-2012或其相关标准,而普通的电源是没有这么严格的标准的,当然普通的电源也有相对应的认证要求。另一方面,医疗设备的电磁辐射和电磁辐射防护是医用电源的一个重要参数标准,涉及到电涌和瞬变电流强度、静电放电(ESD),以及射频干扰(RFI)防护能力等。许多医疗应用都涉及RF治疗仪或无创电子手术器械,因此电源必须能抵御干扰,不受影响。此外,对于电源的压力、电流、纹波等一些方面,要求也是非常严格的。

开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种;若按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。

1、二极管的反向恢复时间引起的干扰

高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,由于PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时间里,电流会反向流动,致使载流子消失,而后这种反向恢复电流会急剧减少,因而产生很大的电流变化(di/dt)。

2、开关管工作时产生的谐波干扰

功率开关管在导通时会有较大的脉冲电流流过。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波,其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时,这种谐波干扰将会很小。另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。

3、交流输入回路产生的干扰

无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量,通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量,通过输入输出线传播时,都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。

4、其他原因

元器件的寄生参数;开关电源的原理图设计不够完美;印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置,具有很大的随意性;PCB的近场干扰大,并且印刷板上器件的安装、放置,以及方位的不合理,都会造成EMI干扰。

改进措施的建议

目前从电磁干扰的传播途径出发来抑制干扰,是已经渐进成熟的做法。我们的视点要回到开关电源器件本身来。从多年的工作实践来看,在电路方面要注意以下几点:

(1)印制板布局时,要将模拟电路区和数字电路区合理地分开,电源和地线单独引出,电源供给处汇集到一点;PCB布线时,高频数字信号线要用短线,主要信号线最好集中在PCB板中心,同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。其次,可以根据耦合系数来布线,尽量减少干扰耦合。

(2)印制板的电源线和地线印制条尽可能宽,以减小线阻抗,从而减小公共阻抗引起的干扰噪声。

(3)器件多选用贴片元件,并且要尽可能缩短元件的引脚长度,以减小元件分布电感的影响。

(4)在Vdd及Vcc电源端尽可能在靠近器件的位置接入滤波电容,以缩短开关电流的流通途径,如用10μF铝电解和0.1μF电容并联接在电源脚上。对于高速数字IC的电源端可以用钽电解电容代替铝电解电容,因为钽电解电容的对地阻抗比铝电解电容小得多。

本文转载自:电磁兼容之家
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