电源在医用电气设备电磁兼容性测试中的影响分析

王权，李澍，苏宗文，任海萍

中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 100050

电源在医用电气设备电磁兼容性测试中的影响分析

王权，李澍，苏宗文，任海萍

中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 100050

医用电气设备中的电源，由于其高功率密度、高电流/电压变化率、线路相对集中等因素导致其电磁干扰问题特别严重和复杂，从而不同性质电源的电磁兼容（EMC）表现是目前研究的热点问题之一。本文分析了医疗设备电源的电磁干扰产生机理及传播方式，并对代表性设备进行了EMC标准测试，对其结果进行了分析。

医用电气设备；电磁干扰；医疗设备电源；电磁兼容性

0 前言

电磁兼容性 （ElectroMagnetic Compatibility，EMC）是指“设备（系统，分系统）在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其他设备（系统、分系统）因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级”[1]。

随着各类电子医疗设备的大量应用，电源在这些设备中的地位越来越重要，并由于设备的微型化，往往要求其使用的电源具有体积小、重量轻、效率高的能力。同时，由于电源的功率转化效率一般在50％～80％之间，因此，大量的能量作为无功功率以电磁波和热能的形式释放，并逐渐成为最主要的电磁骚扰源；另一方面器件、线路相对集中的特点也造成了其较容易受到其他干扰源骚扰。这就是我们必须面对的电源的EMC问题[2]。

本文首先分析了医疗器械电源产生电磁兼容问题的原因；其次根据医疗器械电磁兼容标准所要求的11项实验，分析了内部电池供电模式（内电模式）和网电源供电模式（网电模式）对11项实验的适用情况[3-5]；最后以辐射发射为例，分析了内电模式和网电模式下工作的医疗器械的电磁辐射水平及二者差异原因。

1 电源的电磁干扰分析及适用的评价技术

1.1 电源的电磁干扰特点分析

电源的本质是将能量（电能）转换成合适的形式（电压、功率）并输出，以保证系统的正常工作。其电流变化率为di/dt、电压变化率为dV/dt，若该变化率大，则产生的电磁干扰强度也大。因此相对于低功率数字电路，电源的干扰 较为明晰，主要集中在功率开关器件以及变压器和电感等磁性元器件。医用电气设备常用的开关电源的电磁干扰有其自身的特点[6]，主要表现为：① 电源作为工作于开关状态的电能处理装置，与作为信号处理的数字电路相比，其电压、电流变换率很高，产生的干扰强度较大；② 根据电源频率范围分析，电源产生的干扰以传导干扰和近场干扰为主；③ 在印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）的设计方面，与信号处理线路较规则的布线设计不同，电源的电路板布线具有更大的随意性，这增加了PCB分布参数提取的难度；④ 与数字电路中线路阻抗匹配的情形不同，开关电源的干扰源阻抗与网侧阻抗不但不匹配，而且是随负荷变化的，这给EMI滤波器的设计带来了一定困难。同时电磁干扰滤波器中的电感、电容原件需要承受很大的无功功率，不但降低了电源的整体效率，也增大了体积[7]。

从以上描述可以看出，电源大多工作在高频情况下，在开关器件的导通关断过程中，其主电路中功率开关管的高速开关动作（从几十千赫到数兆赫）形成了电磁骚扰源，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生很强的尖峰干扰和谐振干扰。在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰会注入电网，严重污染电网，影响邻近电子设备的正常工作。产生辐射骚扰的原因是电磁干扰信号占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经过电路、空间中的传导和辐射，污染周围的电磁环境[8]。

1.2 不同电源部件医用电气设备的电磁兼容适用项目分析

医用电气设备适用的电磁兼容标准是YY 0505-2012《医用电气设备第1-2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验》，具体包括11项实验，分别从发射和抗扰两方面衡量设备的EMC。医用电器设备常用内电模式或网电模式供电，二者供电机理不同。由于特定电源供电设备较少，本文不进行研究。EMC通用要求中所要求的11项实验，不同情况下可能某些具体实验是不适用的。因此，需要根据设备的实际情况，对11项实验具体分析，并最终判断出所适用的实验，对比结果，见表1。从表1可以看出，对于网电模式的医疗设备来说，YY0505-2012中要求的11项实验均是适用的；但对于内电模式的医用电气设备来说，和电源线相关的项目是不适用的。

表1 适用项目对比表

从上表也可以看出，对于发射试验来说，内电模式和网电模式均适用的实验只有辐射发射，因此以辐射发射为例，具体衡量在内电模式和网电模式下工作的医疗器械的电磁辐射水平，并找出差异。

2 测试验证

2.1 实验条件

辐射发射的测量是在3米法半电波暗室中进行，受试设备通过和人工电源网络相连接入电网，人工电源网络的测量端口接50Ω的负载，当测量天线接收到骚扰信号后，信号通过连接器传至接收机中。测量天线距受试设备3m，对30MHz～1 GHz频段进行测量。天线使用情况：30～200MHz频率范围，使用双锥天线测量；200MHz～1 GHz 频率范围，使用对数周期天线。水平极化方向和垂直极化方向均需测量，取接收机收到最大的射频噪声电平[9]。

2.2 具体测试案例分析

2.2.1 手术床

测试的手术床可以在网电也可在内电模式下工作：①设备使用网电源供电时，工作电源：220 V/50 Hz；② 设备使用内部电池供电时，工作电源：24 V/DC。具体的测试结果，见图1。

图1网电和内电模式下手术床辐射发射的测试结果

从图1可以看出，在30MHz～1 GHz整个测试频段内，内电模式和网电模式辐射发射限制符合标准，且总体来说，在整个频段内，内电和网电模式下的辐射发射谱图差别不大，而且发射电平类似随谐波周期性变化，说明影响总体辐射发射水平的骚扰源并不来自设备的网电变换模块，而是来自设备内部，且发射电平的基波在40MHz附近，有可能来自手术床的电机模块。

总体来说，从此案例可以看出，对于一个设计良好的医疗设备，是可以做到对网电变换模块的良好屏蔽，保证电源变换模块不造成最终辐射发射结果的超标。

2.2.2 医用头灯

医用头灯可在网电也可在内电模式下工作：① 网电模式时，充电器与网电源连接，对设备内部的锂离子电池进行充电，工作电源 220 V/50 Hz；② 内电模式时，由内部锂电池供电，工作电源为7.4 V/DC，测试结果，见图2。

图2 网电和内电模式下医用头灯辐射发射的测试结果

从图2 可以看出，和手术床不同，设备工作在网电和内电模式下时，辐射发射有较大的区别，且主要差异分布在200MHz以下，由于两者工作模式的差异仅为电源模块的差异，因此可以确定，在低频段38.2、43.1、76.4MHz附近的骚扰主要来自于设备的网电变换模块，由于其具有较大的di/dt及dV/dt，且设备对电源的屏蔽并不是十分良好，导致其在低频段出现若干骚扰点。同时，也可看出，在高频部分（＞240MHz）使用内电与使用网电工作的情况基本一致，在280MHz以及300～400MHz范围频谱比较丰富。

该案例的测试结果是我们在实际测试中常遇到的情况，由此可以得出，对于部分设备来说，由于其电源模块设计的不合理，可能造成电源模块辐射较高，从而影响了整个设备的电磁辐射水平。

2.2.3 医用多参数监护设备

多参数监护设备在网电和内电模式下工作的测试结果，见图3。

图3 网电和内电模式下多参数监护仪辐射发射的测试结果

从图3可以看出，医用多参数监护仪在内电模式下工作反而辐射更大，这和我们的一般认识并不一致。普遍认为，设备工作在内电模式时，由于其属于直流供电，因此电磁辐射相对于网电供电要小。分析其具体原因：由于内电模式下辐射较高的频点在210～240MHz，后经查阅设计手册，设备使用的报警系统的控制部件正工作在此频率范围内。最后得出结论是由于设备在使用内部电源时，从安全方面的考虑，默认开启了报警音，报警电路持续工作，从而增加了系统的辐射水平。后经过试验验证，在使用内部电源时，关闭报警音设置重新测试，发现210～240MHz范围内辐射消失，至此问题得到了确定。

从此案例得出结论：一般设计人员均认为设备在使用内部电源工作时整机的辐射发射会小于网电模式，但不排除有特殊情况，有些设备由于在使用内部电源时，开启了某些模块，而此部分模块恰恰是辐射发射的骚扰源，该种情况下，设备在内电模式下工作反而会比网电模式更差。

3 结论

随着医疗器械技术的发展，医用电气设备电源向小型化、高性能、高可靠性的方向发展，设备内部的电磁环境越来越复杂，电磁干扰问题变得越来越严重。最为主要的干扰源，电源供电模式必须得到重视。但是，影响一个医用电气设备电磁干扰的因素还有很多，针对具体情况，需要更深入研究，发现规律。

[1]Layton R.PAUI.电磁兼容导论[M].北京：人民邮电出版社,2007.

[2]钱照.电力电子系统中的电磁兼容[J].电工技术学报,1999,7（14）：77-82.

[3]YY 0505-2012,医用电气设备第1-2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验[S].2012.

[4]刘京林.解读医疗EMC法规—YY0505标准[J].现代医学仪器与应用,2007,19（2）：34-37.

[5]李澍,李佳戈,苏宗文.医疗器械电磁兼容标准解析[J].中国医疗设备,2014,29（2）：14-17.

[6]马伟明,张磊,孟进.独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容[M].北京：科学出版社,2007.

[7]周志敏,周继海,纪爱华.开关电源实用技术---设计与应用 [M].（第2版）.北京：人民邮电出版社,2007.

[8]邱紫敬.车载充电电源的电磁兼容研究[D].西安：西安电子科技大学,2013.

[9]GB 4824-2013,工业、科学和医疗（ISM）射频设备骚扰特性限值和测量方法[S].2013.

Study on the Influence of Different Power Supply Units onMedical Equipment in the Electromagnetic Interference Test

WANG Quan, LI Shu, SU Zong-wen, REN Hai-ping
Institute forMedical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

Because of the high powerdensity, high current/voltage rate and the intensive line layout, the powersupply unit can lead toserious problems of electromagnetic interference （EMC） for medical equipment. Therefore, the electromagnetic compatibility problem of powersupply units for medical equipment is one of the hot research focuses. This paper analyzes the mechanism and transmission method of electromagnetic interference of powersupply units for medical equipment.Meanwhile,several typical powersupply units are tested and the results are analyzed.

electric medical equipment；electromagnetic interference；powersupply units of medical equipment；electromagnetic compatibility

TM153；R197.39

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.08.042

1674-1633（2015）08-0127-03

2015-05-21

中国食品药品检定研究院中青年发展研究基金（2014C6）。

李澍，副研究员。

作者邮箱：lishu@nifdc.org.cn