电快速瞬变脉冲群重复频率研究

刘萌，李庆雨，张淑溢，施燕平

山东省医疗器械产品质量检验中心 电磁兼容室，山东 济南 250101

引言

随着电子技术的迅猛发展，电子产品的研发升级速度不断提高，越来越多的电子产品进入到我们的工作生活中来，作为与人类生命健康安全息息相关的有源医疗器械产品，其发展则更为迅猛，并朝向小型化、智能化和集成化方向发展，但由此带来的电磁兼容问题也越来越突出。电快速瞬变脉冲群测试是医用电气设备标准YY 0505-2012以及体外诊断设备标准GB/T 18268.26-2010等有源医疗器械产品电磁兼容标准中规定的一项抗扰度测试，通过这项测试可以保证这些医疗器械产品在存在瞬变骚扰的电磁环境下能够正常工作。

但是，现有的标准中对重复频率的选择和确定存在不统一和不确定的情况。标准YY 0505-2012对于施加的电快速瞬变脉冲群重复频率并没有做出明确规定；而标准GB/T 18268.26-2010只规定进行5 kHz重复频率的电快速瞬变脉冲群测试[1]。在实际测试过程中，电快速瞬变脉冲群的重复频率确定对于有源医疗器械电磁兼容检验人员是一个需要解决的问题，对于企业研发和用户使用也有重要意义。

1 标准分析

现行的医用电气设备电磁兼容测试产品类标准YY 0505-2012对于电快速瞬变脉冲群的测试只规定了交流和直流电源线的抗扰度试验电平、患者耦合电缆的布置和干扰施加情况、模拟手的使用情况以及试验时受试设备（Equipment Under Test，EUT）的输入电压等情况[2]，对于测试中所需要使用的重复频率并没有给出明确的数值，因此在测试过程中需要根据基础标准来确定重复频率的大小；体外诊断设备电磁兼容测试标准GB/T 18268.26-2010仅规定了进行5 kHz重复频率的电快速瞬变脉冲群试验[1]。

根据现行基础标准GB/T 17626.4-2008中的规定，EUT在进行电快速瞬变脉冲群测试时，试验所施加的脉冲群重复频率为5 kHz或100 kHz，并注明“传统上用5 kHz的重复频率，然而100 kHz更接近实际情况[3]”。标准IEC 61000-4-4-2012和即将实施的GB/T 17626.4-2018中对于重复频率的要求没有变化，仍然要求进行5 kHz或100 kHz重复频率的电快速瞬变脉冲群试验[4-5]。已经废止的标准GB/T 13926.4-1992指出，实际出现的脉冲群现象，其单个脉冲的重复率为10 kHz～1 MHz。然而广泛调查的结果表明，采用固定调节发生器难以再现这种相当高的重复频率[6]。由此可以看出，实际存在的脉冲群重复频率范围较广，但是受限于当时的技术手段，无法实现高频率的模拟器，只试验了传统上的5 kHz频率。

重复频率100 kHz相对于5 kHz，虽然频率增加了20倍，但是脉冲群的持续时间却缩小为原来的1/20，而且一个周期内脉冲群的总个数都为75个，因此总的干扰能量并没有发生变化。考虑到国外专家对脉冲群试验的故障机理解释为“干扰脉冲对线路结电容的充电，脉冲频率越高，单位时间内的脉冲个数越多，对结电容的电荷积累也越快，越容易达到线路出错的阈值[7]”。从这个方面来考虑，进行100 kHz重复频率的电快速瞬变脉冲群试验相比较5 kHz重复频率更加严酷。

由以上分析可以看出，由于以前受元器件及生产工艺的影响，无法产生高重复频率的脉冲群，而现在随着技术革新，这些制约已经或者即将被解决。那么根据现行标准的规定，在进行电快速瞬变脉冲群测试时则需要考虑5 kHz和100 kHz重复频率对于测试结果的影响。

2 干扰原理

脉冲群中单个脉冲波形可以近似认为是梯形波，梯形脉冲串的高频分量主要取决于脉冲的上升和下降时间[8]。而脉冲群中单个脉冲的上升时间非常短，一般只有5 ns，半宽为50 ns。通过傅里叶分析可知，这种脉冲会产生非常宽的频谱，并且包含丰富的高频分量，幅度较大的谐波频率至少达到60 MHz以上[9]。如果使用频谱分析仪进行测试，这些频谱非常宽，达到几百MHz[10]，而这种脉冲又以较低的频率重复，因此在较低的频率范围内也具有较大的能量[11]。由梯形波的频谱分析以及单个脉冲的脉冲参数可知，大于100 MHz的谐波分量的衰减速度很快，因此电快速瞬变脉冲群的骚扰波形的频谱主瓣在100 MHz以内[12]。电快速瞬变脉冲群试验要求电源端口受试线缆长度为0.5 m，按照等效天线的理论进行分析，在100 MHz频率以内，受试线缆也有一定的空间辐射能力。因此电快速瞬变脉冲群沿线缆进行传输时，会有一部分干扰能量从线缆向周围空间辐射，从而进入EUT，这样EUT最终受到的是传导和辐射的复合干扰[13]。

3 测试分析

为了验证不同的电快速瞬变脉冲群测试重复频率对于EUT的影响，选取了特定的几个样品进行试验，所选取的样品见图1和表1。

试验选用的测试平台为瑞士TESEQ公司生产的型号为NSG3040的多功能瞬态抗扰度测试主机。主机能够产生正负两种极性：200～4800 V的脉冲群幅值和100 Hz～1000 kHz的脉冲群频率，0°到359°的相位同步的电快速瞬变脉冲群，并支持1 s到1000 h的试验持续时间，能够满足试验的全部需求。

3.1 高频电刀

选取某厂家高频电刀进行试验，按照标准规定对高频电刀进行布置并分别对高频电刀进行5 kHz和100 kHz重复频率的电快速瞬变脉冲群试验。试验结果发现，在进行5 kHz重复频率测试时，高频电刀发生误动作的现象，而进行100 kHz重复频率测试时则无任何异常状况发生。对高频电刀进行原理分析和电路排查，发现发生误动作的原因是由于高频电刀的脚踏供电线缆距离驱动继电器的三极管比较近，电快速瞬变脉冲群从电源模块串扰到脚踏供电线缆，并最终对继电器造成影响。而脚踏供电线缆的长度为2.9 m，根据串扰以及等效天线的原理，长度越长，对于低频信号的感应越强烈，而脚踏供电线缆的长度刚好对于5 kHz重复频率的电快速瞬变脉冲群干扰比较敏感，导致继电器只在进行5 kHz重复频率的电快速瞬变脉冲群试验时发生误动作。

图1 选取样品照片

表1 选取样品及测试信息

3.2 输液泵

选取某厂家输液泵分别进行5 kHz和100 kHz重复频率的电快速瞬变脉冲群试验。试验结果发现，在进行100 kHz重复频率测试时，输液泵的滴液传感器发生误计数的现象，误计数的频率大约为3 Hz，而进行5 kHz重复频率测试时则无异常现象。电快速瞬变脉冲群的两组脉冲群之间的时间间隔为300 ms，也就是频率为3.3 Hz，与滴液传感器受到干扰导致误计数的频率比较接近。分析可知，滴液传感器受到电快速瞬变脉冲群的干扰信号，从而发生误计数的现象。

3.3 心血管系统状态监测仪

选取某厂家心血管系统状态监测仪进行试验，分别对监测仪进行5 kHz和100 kHz重复频率的电快速瞬变脉冲群试验。试验结果发现，在进行5 kHz重复频率测试时，心电波形发生紊乱，而进行100 kHz重复频率测试时则无任何异常状况发生。在与厂家进行沟通并实际拆机验证后得知，此监测仪为了避免高频信号对于自身采集信号的影响，在信号处理部分增加了一个10 kHz～10 MHz的带阻滤波器，对于100 kHz重复频率的脉冲群能够很好的进行滤除，而对于5 kHz重复频率的干扰信号则不能起到有效的抑制作用。

3.4 电解质分析仪

选取两个厂家两种型号电解质分析仪进行测试，在进行5 kHz和100 kHz重复频率电快速瞬变脉冲群测试时，其中一个厂家的电解质分析仪在两种重复频率下都出现取液盘转动错误导致吸样失败的现象，另一型号样品在测试过程中无任何异常状况。在对两厂家的样品进行拆解后发现，两厂家的电解质分析仪从元器件选型、走线方式、驱动模块等都有很大差异，而出现吸样失败的原因就是由于驱动模块受到干扰，而这种干扰主要是通过电源线的传导路径进入到机器内部而导致的。

3.5 重复性测试

对以上四种样品，按照相同的测试平台、测试布置、测试等级、试验端口等相关测试要求，在不同的时间分别又进行了三次5 kHz和100 kHz重复频率的电快速瞬变脉冲群试验，所得到的试验结果与第一次的试验结果相一致，因此试验结果具有较高的可重复性，排除了其他干扰的可能性。

3.6 结果分析

对于选取的四种样品的测试结果可以看出，选取的某厂家的高频电刀对于电快速瞬变脉冲群的5 kHz重复频率比较敏感；选取的某厂家的输液泵对于电快速瞬变脉冲群的100 kHz重复频率比较敏感；选取的某厂家的心血管系统状态监测仪对于电快速瞬变脉冲群的5 kHz重复频率比较敏感，选取的某厂家的电解质分析仪对于电快速瞬变脉冲群的5 kHz和100 kHz重复频率都比较敏感。四种样品的敏感元器件、耦合路径、厂家的防护器件使用等情况各不相同，因此不能单一的使用一种电快速瞬变脉冲群的重复频率来代替所有的测试，由此所作出的结果也不具有代表性。

4 结论

对于电快速瞬变脉冲群的原理分析以及选取的四种样品的测试结果可以看出，由于产品类型不同、企业的技术水平差异、制造工艺的区别等因素，不同的样品对于不同重复频率的电快速瞬变脉冲群的敏感程度也各不相同，那么电磁兼容检验人员在实际检验过程中要综合考虑各种因素。对于医用电气设备，结合安全通用要求GB9706.1-2007中的最不利原则[14]，建议在现行国行标的要求下对所有的有源医疗器械产品进行5 kHz和100 kHz两种重复频率的电快速瞬变脉冲群测试；对于体外诊断设备，建议相关的技术委员会考虑增加100 kHz的试验频率；对于生产和使用的用户则建议对设备做好安全防护工作，以降低安全风险。

电快速瞬变脉冲群的高频分量较为丰富，其干扰特性不仅体现在传导干扰方面，由耦合夹具带来的辐射骚扰特性表现也尤为突出[15-16]。本文仅对选取的有源医疗器械样品进行了电源端口的电快速瞬变脉冲群测试，对于I/O端口及其他线缆的测试没有涉及到，今后可以针对此类端口和线缆进行不同重复频率的电快速瞬变脉冲群测试，研究在此条件下对不同的产品带来的影响。