以晶振作为骚扰源的医用电气设备辐射发射超标研究

张敏，公翠娟，刘萌，刘美丽，朱成科，李庆雨（通信作者）

1 山东省医疗器械和药品包装检验研究院电磁兼容室（山东济南 250101）；2 山东省食品药品审评查验中心医疗器械检查科（山东济南 250014）

随着人们健康需求的不断提高及电子电力技术水平的不断提升，医用电气设备进入快速发展阶段，设备的电磁兼容性因涉及公众健康和安全，日益受到重视，电磁兼容检验的必要性已成为业内共识。当医用电气设备在预定的电磁环境中运行时，需按规定的安全裕度实现设计的工作性能，且不因其他设备的电磁干扰而受损或产生不可接受的降级，同时不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰能力。医用电气设备电路板上的时钟电路作为常见的高频电路，其产生的时钟脉冲信号具有周期性，骚扰能量在频谱上很集中。晶振作为时钟电路的核心，其产生时钟信号的频率及一系列谐波频率，控制着电路的有序运行。随着数字芯片的时钟频率不断增加，高频的时钟信号成为很强的噪声辐射源，事实证明，晶振是最为常见的噪声源。面对日益严峻的电磁兼容问题，在产品研发设计初期即充分考虑晶振作为噪声源的辐射发射问题显得尤为重要。鉴于此，本研究对以晶振作为骚扰源的医用电气设备辐射发射超标情况进行了分析、介绍。

1 辐射发射简述

辐射发射主要是指电磁波的辐射，即电磁骚扰的能量以电磁波的形式辐射到空间，并在空间传播的现象。辐射发射测试的场强包括等效磁场天线的差模电流辐射通过金属机箱孔缝泄漏的场强和等效电场天线外接电缆上的共模电流辐射场强，是两者的矢量叠加结果。GB 4824-2019《工业、科学和医疗设备 射频骚扰特性 限值和测量方法》[1]等同于IEC/CISPR11[2]，是现行的工业、科学、医疗射频设备骚扰特性在9 kHz～400 GHz 范围内的限值和测量方法的标准。

当出现辐射发射超标时，首先应找到引起辐射发射超标的主要原因，常用的排查方法如下。（1）插拔外接电缆：适用于较为简单的排查，若拔掉外接电缆时辐射强度明显减小，则可判断为由外拖电缆引起的等效电场天线起主要作用[3]；在电波暗室内通过插拔的方式进行排查，不仅利于查找辐射发射的源头，而且利于判断辐射的路径。（2）采用电流钳辅助判断：在外接电缆无法插拔的情况下，使用电流钳夹住电缆并测量电缆上流过的共模电流，然后通过频谱分析仪观察共模电流的频谱，若可以观测到这一频谱，则考虑主要由等效电场天线向外辐射电磁能量[3～4]。（3）采用近场搜索技术：若通过插拔电缆未有明显的改观，或者通过电流钳监测不到共模电流，则考虑电磁能量主要通过机箱的孔缝向空间辐射，此种情况下可以利用近场探头和频谱分析仪探测骚扰噪声源[5]。

2 案例分析

晶振作为提供电路频率基准的元器件，在辐射发射试验测试中，由晶振引起的辐射发射超过规定限值的现象非常普遍，以致设备通过该项测试的成功率较低。印刷电路板（printed circuit board，PCB）布局布线、接地处理、晶振电源去耦、滤波设计等均会对晶振的辐射骚扰产生影响[4-5]。根据傅里叶变换周期信号的频谱是离散的（频谱为频率的倍频），若周期信号对应高速时钟信号，则辐射频谱中很多等频率间隔的离散频谱来源于时钟信号。

以某医疗设备为例，对晶振引起辐射发射超标的问题进行研究。设备采用网口通信，通过网络交换机与主机的网关模块相连，并通过网络协议方式与主控制板传输指令，控制设备的工作过程。在辐射发射测试过程中，测得的数据结果见图1，经分析，超出1组A类（Group 1 Class A）限值的频点为99.9850、149.9890、199.9440、249.9475 MHz，对应的准峰值（QP值）分别为57.787、66.736、53.615、63.000 dBμV/m。以上是规律的倍频关系，通过分析设备内部PCB，发现在网关模块板上使用了一个50 MHz的有源晶振，考虑是晶振作为骚扰源引起的发射超标。于设备待机状态下进行扫频测试，发现依然存在相同的超标频点；断掉主控板的供电，仅保持网关模块板通电，发现仍然存在超标现象，基本已验证推测；断开网关模块板的供电，其他电路板保持通电状态，扫频发现超标频点已消除，通过对PCB的分开断电排查，确定骚扰源来自于50 MHz的有源晶振。

图1 设备整改前的辐射发射测试结果

进一步判断骚扰传输途径，首先通过插拔外接网线发现前后数据差异不大，排除通过外接电缆向外传输，考虑机箱孔缝的辐射及机箱的塑料材质不能衰减电磁波；对网关模块板加金属屏蔽罩，进行PCB整体屏蔽处理，重新进行测试，测试结果见图2，发现测试值有所下降，但结果仍不能满足限值要求，在频点99.9850、149.9890、199.9440、249.9475 MHz，对应的QP值分别为50.475、60.247、51.030、60.585 dBμV/m。

图2 设备经屏蔽处理后的辐射发射测试结果

经对PCB 布板图及电路图进行分析，发现PCB 布板图是较为简单的双层板，晶振离芯片距离较远，走线较长，且走线与地线跨越穿过；有源晶振供电部分未使用去耦电容，且缺少减少辐射的措施；此外，布板图布线整体混乱，未有效规避串扰问题，铺地平面较少，且不够完整，见图3。

图3 原PCB 布板图

重新设计网关模块，将网络交换机合并入网关模块。设计中，先优化高频线路，去掉原有的网络物理接口PHY 电路，选用PLL 倍频网络交换机芯片，合并网络物理接口与网络交换机，同时将原有的50 MHz 有源晶振改为25 MHz 的无源晶振，有效降低时钟频率；针对电路板的设计，先优化高频元件布局，增加电源线和地线的布线面积，加强高频辐射的吸收；针对高频电路，加大接地面积，使地线包围高频电路，形成“孤岛电路”，不仅可防止外围电路的串扰，还可减少电磁能量的辐射。改板后的PCB 布板图见图4，测试结果见图5。

图4 改板后的PCB 布板图

图5 重新布板后的辐射发射测试结果

3 晶振在PCB 上的常用设计规范及整改措施

3.1 晶振在PCB 上的常用设计规范

（1）优化晶振的选择方法：只要能满足电路的要求，就尽量选择频率低的晶振，由于时钟频率高，考虑到信号完整性，时钟上升沿陡，属于高速电路，更容易引起辐射骚扰；尽量选择带有金属外壳封装的晶振，在使用时配合良好的接地处理可有效减少辐射骚扰；尽量选择已经集成到芯片内部的晶振，此类晶振抗扰性较好，但也存在一个缺点，即晶振的频率是固定的，由于固定集成在内部而无法对频率进行修改，因此目前选用的较少；优先选择有源晶振，此类晶振内部有自己的起振电路，抗扰性优于无源晶振，但其价格高，目前多用于高端精密设备，无源晶振不能自己起振，需要配合外部时钟电路，但因其传统优势，目前仍应用最广泛。（2）优化匹配电容及匹配电阻：根据晶振出厂参数值进行优化选值或推算，在选值时尽量规避推荐范围的两端值，选取中间值，避免不起振。（3）优化PCB布板：尽量使晶振距离芯片较近，缩短线长，保证时钟线短，且切勿使晶振位于PCB的边缘，离板的边缘尽量大于20 mm，并确保时钟线或高频信号线有连续完整的回流路径；对于晶振位置下方，既不可布线也不可铺地，对于晶振周围5～7 mm范围内，尽量不要布线或其他元器件，同时应对晶振或高频电路做包地处理，形成“孤岛电路”；在进行PCB布线时，应尽量使线与线（主要是高频干扰信号走线）在板上的距离大于3倍的线宽，若不能实现，则应尽可能保持大于2倍的线宽，以减少串扰影响；应确保晶振的金属外壳接地良好，以衰减晶振辐射，屏蔽外来干扰；尽量增大PCB参考地面积，若为多层板，则应有完整的地层，且可对地区域做分割处理，另外，增大电源线和地线的线宽，且确保晶振在PCB上的映射区域铺地；尽量使PCB远离I/O口和电源输入口[6-12]。

3.2 整改措施

由于电磁兼容的复杂性，加之分析预测的精确性不足，即使充分考虑了晶振可能引发的电磁兼容问题，仍可能出现设备不能满足标准要求的情况，此时设备的电气结构和机箱内部空间已定，对整改造成限制。针对此种情况，需要“对症下药”，尽量在不完全改动PCB布局的情况下进行整改，常用的整改措施为：（1）滤波，通过并联电容增加芯片电源去耦和时钟电源电路去耦，但注意去耦电容的引线要短，或在时钟电路输出端串联磁珠，增大感抗进行滤波；（2）匹配，在时钟输出管脚加电阻，增加振荡能量的衰减，或调节匹配电容值，确保匹配电容合适；（3）接地，对晶振金属外壳进行接地处理；（4）屏蔽，增加金属屏蔽罩或在机箱内部喷涂具有屏蔽作用的导电铜漆/银漆；（5）充分利用扩频技术；（6）重新对PCB布板。

4 小结

本研究通过对晶振引起辐射发射超标的原因进行排查，对整改案例进行分析、总结，为晶振的选取、PCB 布板技巧到产品成品的整改措施提供了参考。但由于检验阶段的整改会大幅提高产品研发的成本并拖延产品上市的周期，因此，在产品研发设计的初期充分考虑电磁兼容性非常必要。摸索适用的PCB 设计规范，总结有效的整改方法，为医用电气设备提供设计和整改的参考措施，提高产品的电磁兼容性，对营造医用电气设备良好的电磁使用环境具有积极的现实意义。