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减少电子医疗设备EMI问题的设计方法




关键词:

PHILIP F.KEEBLER and
KERMIT O. PHIPPS
EPRI EMC Laboratory
Knoxville, Tennessee USA

    电力在医疗设备中的应用可以追溯到1745 年莱登(莱登瓶电容的发明者)设计的一个为电容充电的静电
设备,后来这个静电设备被用来在人体表面进行放电,在治疗瘫痪、内脏疾病、阳痿、不育、精神病以及其他各种疾病。早期的医疗装置十分简单,虽然它们会产生某种电磁发射(通过辐射或传导的方式),但是这些电磁发射的量级很低,频带较短。此外,早期很少有医疗设备或系统会受到这些电磁发射的不利干扰。而现在,电磁发射干扰技术要严重得多。高科技医疗设备带来了高水平的电能应用:测量人体发出的皮伏至微伏的信号,使用微创疗法治愈疾病,使用探针分析重要脏器的微孔结构。人们规则微处理器控制的医疗设备能够在已知的和不断变化的复杂电气电磁环境中正常运行,并且对发生电磁干扰 技术的担心也一直存在。

    电力电子技术的进步使得电子医疗设备的设计者能够满足功率相关规则,设计出合格的生物医疗设备和医疗成像系统。表1 所示为在不同种类的电子医疗设备中使用的各种电力电子装置。通过使用这些先进的装置,可以对大功率情况进行更快的切换,在更短的时间内可以处理更多的数据。系统设计者能够自行设计一些子系统,和已有的系统联合使用。数据处理系统、记忆存储装置和显示装置只是在医疗系统中得到使用的数字设备的一小部分——所有这些数字设备都需要一个或多个供电电源。尽管这些子系统都各自通过了EMC测量,把它们装配在一个大系统中时却会互相产生不同的干扰。举例来说,现代电子电源能够以更小的尺寸提供更大的功率(即提高了功率密度)。使用嵌入式解决方案能够利用滤波和屏蔽来减少元件的电噪声,这样可以减少电磁发射。这些科技进步减少了有害系统技术(如电磁干扰)的发生几率,但是严重的电磁干扰 技术依然有可能发生。

    信息技术和消费电子行业的电源生产商所遇到的一个设计技术是高效电源的使用。设计者们明白,越高效的电源就意味着越多的辐射和传导噪声,这些噪声必须分别使用屏蔽和滤波的手段消除。医疗设备行业的设计者和电源生产商将很快遇到相似的同样的技术。这些技术将使电路板级和系统级的新电磁发射降低方法得到趋势和应用。

    随着世界范围内医疗行业终端用户对有效的医疗设备需求的增加,医疗设备生产商需要将电力电子技术运用到其产品中去,这些电力电子技术必须符合修订过的欧洲EMC性标准,即医疗电子设备第1 部分:1. 安全性综合规则。2. 并列标准:EMC性——规则和测量,(IEC 60601-1-2)。这些需求干扰了为医疗设备提供电源和其他子系统的生产商,他们开发子系统必须对电干扰(包括电磁能量的辐射和传导)有着更高的免疫力。为了达成这些目标,生产商必须对嵌入式系统的设计具有更佳的洞察力。在设计电子医疗设备时,他们必须考虑使用新型的嵌入式系统。本文的目的在于利用医疗装置或系统的内部和/ 或外部接地系统以及电源总线,减少或消除不利的交互作用,如:电源之间的干扰、电源和其它子系统之间的干扰、多个子系统之间的干扰。

医疗设备行业中的电力电子

    医疗行业中电力电子技术的进步为实现电子医疗设备的更佳性能和可靠性奠定了基础。电力电子技术的进步带来了更佳的半导体开关转换方法。使用先进技术的电力电子装置和之前的装置相比,更小、更轻、更加高效。其他电力电子技术的进步包括更快和更耐用的功率晶体管开关和功率二极管,具有更低的正向压降,能够提高效率并降低芯片(电力电子元件的核心器件)的工作温度。效率的提高减少了电源内部磁性元件和散热元件的体积,于是就减少了电源开关电路的整体尺寸,并降低了其生产和运行成本。开关转换技术的提高也减少了开关噪声(即传导发射)。然而不幸的是,尽管使用了更佳的电路板上滤波技术,一些开关噪声仍会在医疗装置的接地电路中产生干扰。

表1 在多种电子医疗设备中使用的电力电子装置的比较
 

减少电子医疗设备电磁干扰技术的设计方法

减少电子医疗设备电磁干扰技术的设计方法

                                                 图 1

    半导体器件是电力电子的核心,这项技术是多学科交叉的产物,包括微机技术、控制理论和计算机辅助设计(CAD)(图1)。设计者不希望电路和子系统出现无法处理的噪声,这个融合性的设计方法能够帮助设计者实现电路和子系统间兼容性,或者至少能够保证每个电路和子系统都实现了共同接地。采用先进控制理论的尖端电路设计能够减少电力电子系统中使用的元件数目,但是通常无法减少噪声。

    图1 说明了电源总线系统和接地系统对全部电路和子系统所起到的核心支持作用。电源总线系统可能是交流的,也可能是直流的,通常是交流和直流相结合的。接地系统和所有电路和子系统相连接,保证每个电路和子系统都能得到最标准的零参考电位。通常来说,在终端使用装置的试用版设计结束后,需要测量传导发射是否过大,以确保其符合限制规则。项目工程师通常会追求寻找减少传导发射的方法。最常用的说说方法是尝试使用各种线滤波器(如果滤波器是OEM“黑箱”单元的话),直到找到一个可以将电磁发射降低至可接受水平的滤波器为止。在有些情况下,滤波器是终端使用装置的生产商所设计的,在安装至滤波电路之前会经过一些调整,以减少电磁发射至可接受的水平。在有些情况中,上面的所有方法都不起作用,于是设计者必须倒回去看能否从内部减少电磁发射。

    在各经济领域中,医疗行业是使用灵敏电子设备最多的行业。为了满足这个行业的趋势需求,美国有超过12,000 家医疗设备生产商。这些生产商的医疗设备产品的运行基本上都要依靠电力电子元件和系统。医疗行业正在呈指数趋势态势,新的医疗设备和应用不断的进入市场,电力电子系统主要生产商所获得的总医疗支出市场份额也随之不断增加。许多医疗装置都将需要能够解决电磁发射技术的新方法。

医疗行业中的开关电源
    医疗行业中的电力电子主要是依靠开关电源(SMPS)行业。当前,几乎在所有电子设备(包括电子医疗设备)中都使用有SMPS。SMPS 行业具有光明的前景,其市场随着消费者市场和商用市场变化。SMPS 生产商期望市场得到趋势,并期望某些SMPS 能够在电子医疗设备中得到应用。SMPS 产品可分为5 类,这5 类产品在电子医疗设备中都有应用,而且都需要电磁干扰 滤波。交流转直流SMPS 市场可根据输入功率的大小进行划分。其市场具体划分如下:
    小功率级(1 至300 瓦),
    中功率级(301 至750 瓦),
    大功率级(751 至1500 瓦),
    超大功率级(1,501 至2,000 瓦),
    极大功率级(2,001 瓦及更大功率)。

    每个功率种类都涵盖了许多种电子医疗设备。功率等级越高,就需要越大的传导线滤波器,因为在线电流通过时,滤波器不能温升过高,也不能使滤波特点受到干扰。新的滤波方法(无论是在设备内部使用新型滤波器,还是在设备的主接地端使用新型滤波器)将减少电磁发射,并将减少传统传导线滤波器的体积和成本。

    在许多依靠电力电子的电子医疗设备中,都存在着电力电子元件和系统的结合情况。通常,传导线滤波器(被置于电源中,并可能安装在整体系统的主线电源上)是仅有的可以减少电磁发射的滤波器。在电源之间或接地子系统之间通常不使用滤波器,为了将主线上的电磁发射减少至一个可以接受的量级,需要在主线上安装一个大型滤波器。在某些种类的电子设备中,仅使用一个简单的电子电源,而某些种类的电子设备会使用多种简单和复杂的元件和系统。对于后者,为了控制电磁发射量级,仍需将电源和其邻近系统隔离开。在医疗行业中,根据医疗设备的不同应用和尺寸,很多现在使用的电子医疗设备都结合使用了各种SMPS 和电力电子系统。在设备中结合使用SMPS 将会增加线发射,并提高接地电路中的电磁发射量级。在使用SMPS 的电子医疗设备中,可以发现:

    ● 一个SMPS ;
    ● 一个SMPS 以及一个或多个电力电子系统;
    ● 两个SMPS ;
    ● 两个或者多个SMPS 以及一个或多个电力电子系统。
    表2 对各种电子医疗设备中的SMPS 和电力电子系统进行了总结。在表2 中可以看出,当前使用的多种电子医疗设备都依赖于一个或多个SMPS 以及一个或多个非SMPS 电力电子系统。非SMPS 电力电子系统的使用在过去的二十年间得到了增长。在上世纪70 年代晚期,许多电子医疗设备都依靠一个中央电源(线性电源)进行工作,它们将设备内部经过转换和调制的电压和电流分配到一个或多个具有特定用途的负载处。这个滤波方法所带来的技术是留给线滤波器的空间是固定的。在电源中安装线滤波器将会使电源体积变大。在整体系统主线上安装线滤波器将会导致整体系统的封装进一步变大。

    SMPS 的使用增加了,但随着电力电子技术的进步,医疗设备设计者能够使用模块化的SMPS,并能够使用和SMPS 不同的电力电子系统(如线性电源调节器)对医疗设备的功率进行控制。

   

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