張超，蘇宗文，李澍，王權(quán)，李佳戈，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所 光機(jī)電室，北京 102629

引言

電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力[1-3]。該定義包含了兩部分內(nèi)容，一是發(fā)射，即設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)不對外界造成電磁騷擾；二是抗擾度，即設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)能承受其所在環(huán)境內(nèi)的電磁騷擾。其中，抗擾度試驗(yàn)的基本思路是[4-5]，使用發(fā)生器產(chǎn)生騷擾信號(hào)，通過特定的路徑與被測設(shè)備耦合，觀察被測設(shè)備（Equipment Under Test，EUT）的表現(xiàn)從而判斷試驗(yàn)結(jié)果是否符合要求。在這個(gè)過程中，如果試驗(yàn)布置出現(xiàn)問題，典型例子就是不易察覺的發(fā)生器故障或是耦合路徑不通，則會(huì)導(dǎo)致騷擾信號(hào)沒有施加到EUT 上，出現(xiàn)“假陰性”的結(jié)果，從而對實(shí)驗(yàn)室出具的結(jié)果造成極大的影響。在有源醫(yī)療器械領(lǐng)域，現(xiàn)行有效的電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)是YY 0505-2012[6]，其中關(guān)于抗擾度的試驗(yàn)方法，基本都是參考的GB/T17626 系列標(biāo)準(zhǔn)（等同采用IEC 61000-4 系列標(biāo)準(zhǔn)）。本文從以上系列標(biāo)準(zhǔn)入手，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求研究試驗(yàn)布置的驗(yàn)證方法，并結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行分析。

1 驗(yàn)證方法的討論及實(shí)現(xiàn)

1.1 靜電放電抗擾度

靜電釋放（Electro-Static Discharge，ESD）是在日常生活中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象。靜電放電試驗(yàn)?zāi)M的就是人體或其他事物產(chǎn)生的靜電釋放到EUT 上。GB/T 17626.2-2018[7]相比于前一個(gè)版本，主要變化之一就是增加了對ESD布置的驗(yàn)證。除去靜電放電形成的輻射場影響外[8]，靜電釋放的路徑主要為ESD 發(fā)生器-放電電極-EUT 上的測試點(diǎn)-放電回路電纜/470kΩ 泄放電阻-接地參考平面，示意圖，見圖1。

圖1 靜電釋放路徑示意圖

通過研究ESD 發(fā)生器的原理[9]，其輸出波形參數(shù)不易發(fā)生變化，最可能失效的是電壓未傳送至放電電極以及路徑中的電纜、電阻的損壞松脫。標(biāo)準(zhǔn)建議主要驗(yàn)證的也正是釋放路徑是否接通，給出的驗(yàn)證方法是將ESD 發(fā)生器設(shè)置為高低不同的電壓，觀察對耦合板空氣放電時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生火花，同時(shí)高電壓時(shí)產(chǎn)生的火花應(yīng)比低電壓時(shí)大，是一種簡單、有效、直觀的方法，可在每次試驗(yàn)前進(jìn)行驗(yàn)證。此試驗(yàn)布置需注意兩個(gè)“0.1 m”，即絕緣支撐邊緣距離水平耦合板邊緣應(yīng)為0.1 m，被測樣品距離垂直耦合板0.1 m。

1.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度

在電網(wǎng)中如果有感性負(fù)載（如接觸器或繼電器）斷開，則會(huì)對電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備產(chǎn)生低能量、高頻率、幅值高的快速瞬變脈沖干擾[10]，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作。GB/T 17626.4-2018[11]中給出了試驗(yàn)使用的脈沖波形的相關(guān)參數(shù)，見圖2。

圖2 電快速脈沖群概略圖

標(biāo)準(zhǔn)中定義試驗(yàn)布置包括：電快速瞬變脈沖群發(fā)生器、耦合去耦網(wǎng)絡(luò)（Coupled Decoupling Network，CDN）、容性耦合夾和互聯(lián)線纜，為確保在兩次校準(zhǔn)之間試驗(yàn)布置的正確性，需要對輸出的電快速瞬變脈沖群信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證方法連接示意圖，見圖3。

圖3 電快速脈沖群試驗(yàn)布置驗(yàn)證方法連接示意圖

本文使用示波器（型號(hào)：MDO4104C，品牌：泰克）和校準(zhǔn)器（型號(hào)：KW 50，品牌：EMTEST），對實(shí)驗(yàn)室的電快速瞬變脈沖群發(fā)生器輸出的5 kHz 信號(hào)進(jìn)行了驗(yàn)證，CDN 輸出端和容性耦合夾輸出端驗(yàn)證結(jié)果如圖4 所示，結(jié)果均符合實(shí)驗(yàn)室依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定的±5%內(nèi)控參考值。此試驗(yàn)布置應(yīng)注意容性耦合夾底部應(yīng)與接電參考平面接觸良好，示波器的輸入阻抗應(yīng)設(shè)置為50 Ω 檔。

圖4 CDN輸出端和容性耦合夾輸出端驗(yàn)證結(jié)果

1.3 浪涌抗擾度

浪涌現(xiàn)象普遍存在于供電系統(tǒng)中，產(chǎn)生的原因可分為外因和內(nèi)因，外因主要是雷電引發(fā)電涌過電壓，內(nèi)因主要是斷路器的動(dòng)作、大負(fù)載的接入或移除、大型發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)等[12]。浪涌可能會(huì)沖擊設(shè)備的絕緣層，導(dǎo)致絕緣層擊穿，同時(shí)累積效應(yīng)也有可能造成半導(dǎo)體器件出現(xiàn)衰退、壽命縮短等失效現(xiàn)象。GB/T 17626.5-2008[13]和IEC 61000-4-5:2017[14]中均規(guī)定除了日常定期校準(zhǔn)外，在試驗(yàn)前應(yīng)對浪涌發(fā)生器和CDN 組成的試驗(yàn)布置是否有浪涌脈沖輸出進(jìn)行驗(yàn)證。以筆者實(shí)驗(yàn)室的浪涌發(fā)生器為例，由于使用頻率高，內(nèi)部電子開關(guān)切換頻繁，繼電器的驅(qū)動(dòng)模塊會(huì)出現(xiàn)損壞、失效等故障，導(dǎo)致實(shí)際無浪涌脈沖輸出，但該故障通過儀器外觀、指示燈、軟件界面均無法顯示，只能依靠每次試驗(yàn)前的儀器驗(yàn)證來識(shí)別。

本文使用示波器（型號(hào)：MDO4104C，品牌：泰克）和高壓差分探頭（型號(hào)：P5200，品牌：泰克），對實(shí)驗(yàn)室的浪涌發(fā)生器輸出的2 kV 浪涌波形進(jìn)行了驗(yàn)證，連接示意圖和結(jié)果波形圖，見圖5～6。在驗(yàn)證時(shí)應(yīng)注意，如果使用的是非隔離示波器，則應(yīng)使用類似于高壓差分探頭的隔離裝置來保護(hù)示波器，其次線-線和線-地間的浪涌脈沖信號(hào)均應(yīng)予以驗(yàn)證。

圖5 浪涌試驗(yàn)布置驗(yàn)證方法連接示意圖

圖6 實(shí)測浪涌波形圖

1.4 電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度

電壓暫降、短時(shí)中斷主要是由電網(wǎng)、電力設(shè)施的故障或負(fù)荷突然出現(xiàn)大變化引起的，電壓變化則是由于連接到電網(wǎng)的負(fù)載連續(xù)變化引起的。電網(wǎng)電壓出現(xiàn)的這些波動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作或是重要數(shù)據(jù)的丟失，以激光手術(shù)類設(shè)備為例，某些設(shè)備在高能量激光持續(xù)輸出時(shí)，如遇電壓暫降，則有可能會(huì)導(dǎo)致輸出端激光功率驟降甚至停機(jī)重啟，嚴(yán)重影響術(shù)區(qū)的治療效果。GB/T 17626.11-2008[15]和IEC 61000-4-5:2017[16]中雖然沒有規(guī)定試驗(yàn)前需要對試驗(yàn)布置進(jìn)行驗(yàn)證，但是要求在試驗(yàn)過程中應(yīng)監(jiān)測EUT 電源電壓使其在2%準(zhǔn)確度范圍內(nèi)，連接示意圖如圖7 所示。

本文使用示波器（型號(hào)：MDO4104C，品牌：泰克）和高壓差分探頭（型號(hào)：P5200，品牌：泰克），對實(shí)驗(yàn)室的電壓暫降、電壓中斷發(fā)生器的輸出電壓進(jìn)行了監(jiān)測，得到的波形圖，見圖8。

圖7 電壓暫降、短時(shí)中斷試驗(yàn)中監(jiān)測電源電壓連接示意圖

圖8 不同程度電壓暫降后電壓監(jiān)測波形圖

測試時(shí)，同樣需要使用隔離裝置來保護(hù)示波器，同時(shí)需要注意，有些發(fā)生器配套的調(diào)壓器默認(rèn)電壓初始值為230 V，需要實(shí)驗(yàn)室根據(jù)EUT 的電壓范圍來調(diào)整初始電壓，否則發(fā)生器是按照230 V 的相應(yīng)比例來輸出電壓。

1.5 射頻電磁場輻射抗擾度和工頻磁場抗擾度

隨著個(gè)人電子設(shè)備以及無線終端的飛速發(fā)展，現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的電磁場、磁場也變得日益復(fù)雜，對于醫(yī)用電氣設(shè)備，射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)?zāi)M的是現(xiàn)實(shí)環(huán)境中80 MHz～2.5 GHz的射頻電磁場，工頻磁場抗擾度試驗(yàn)?zāi)M則是模擬導(dǎo)體通過電流后在周圍形成的磁場，這兩項(xiàng)抗擾度試驗(yàn)均是通過空間將騷擾信號(hào)耦合到EUT 上。GB/T 17626.3-2016[17]和GB/T 17626.8-2006[18]與前文介紹的標(biāo)準(zhǔn)不同，除常規(guī)校準(zhǔn)外[19-21]并沒有提出對試驗(yàn)布置或儀器驗(yàn)證的要求，只是在試驗(yàn)程序中增加了預(yù)確認(rèn)或預(yù)校驗(yàn)設(shè)備正確運(yùn)行的步驟，但沒有給出具體的試驗(yàn)方法。參考其他抗擾度試驗(yàn)的驗(yàn)證思路，試驗(yàn)前使用相關(guān)探測器直接測量EUT 附近的場強(qiáng)度即可達(dá)到預(yù)確認(rèn)的目的。試驗(yàn)布置示意圖，見圖9～10。

圖9 工頻磁場抗擾度預(yù)確認(rèn)示意圖

圖10 射頻電磁場輻射抗擾度預(yù)確認(rèn)示意圖

2 結(jié)論

本文從GB/T 17626 以及IEC 61000-4 系列標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，討論并實(shí)現(xiàn)了靜電放電、電快速瞬變脈沖群、浪涌以及電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中建議的試驗(yàn)布置驗(yàn)證方法，探索了射頻電磁場輻射和工頻磁場抗擾度試驗(yàn)前預(yù)確認(rèn)的方法，得到了滿足試驗(yàn)要求的騷擾信號(hào)波形和強(qiáng)度水平，同時(shí)對測試時(shí)需要注意的事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)，有利于實(shí)驗(yàn)室在日常檢測工作中快速、有效地對騷擾信號(hào)發(fā)生器和耦合路徑進(jìn)行驗(yàn)證，可以有效防止“假陰性”結(jié)果的出現(xiàn)，為實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)量控制提供保障。此外，通過對比GB/T 17626 和IEC 61000-4 系列標(biāo)準(zhǔn)我們還可以看到，在新版的IEC 61000-4 系列標(biāo)準(zhǔn)中，均不同程度地提出了在試驗(yàn)前對試驗(yàn)布置進(jìn)行驗(yàn)證或是在試驗(yàn)中對施加到EUT 上的騷擾信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，也證明了儀器驗(yàn)證的重要性，希望可以引起各實(shí)驗(yàn)室的重視。