張敏，公翠娟，劉萌，劉美麗，朱成科，李慶雨（通信作者）

1 山東省醫(yī)療器械和藥品包裝檢驗(yàn)研究院電磁兼容室（山東濟(jì)南 250101）；2 山東省食品藥品審評(píng)查驗(yàn)中心醫(yī)療器械檢查科（山東濟(jì)南 250014）

隨著人們健康需求的不斷提高及電子電力技術(shù)水平的不斷提升，醫(yī)用電氣設(shè)備進(jìn)入快速發(fā)展階段，設(shè)備的電磁兼容性因涉及公眾健康和安全，日益受到重視，電磁兼容檢驗(yàn)的必要性已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)。當(dāng)醫(yī)用電氣設(shè)備在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，需按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作性能，且不因其他設(shè)備的電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級(jí)，同時(shí)不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾能力。醫(yī)用電氣設(shè)備電路板上的時(shí)鐘電路作為常見的高頻電路，其產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖信號(hào)具有周期性，騷擾能量在頻譜上很集中。晶振作為時(shí)鐘電路的核心，其產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的頻率及一系列諧波頻率，控制著電路的有序運(yùn)行。隨著數(shù)字芯片的時(shí)鐘頻率不斷增加，高頻的時(shí)鐘信號(hào)成為很強(qiáng)的噪聲輻射源，事實(shí)證明，晶振是最為常見的噪聲源。面對(duì)日益嚴(yán)峻的電磁兼容問(wèn)題，在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)初期即充分考慮晶振作為噪聲源的輻射發(fā)射問(wèn)題顯得尤為重要。鑒于此，本研究對(duì)以晶振作為騷擾源的醫(yī)用電氣設(shè)備輻射發(fā)射超標(biāo)情況進(jìn)行了分析、介紹。

1 輻射發(fā)射簡(jiǎn)述

輻射發(fā)射主要是指電磁波的輻射，即電磁騷擾的能量以電磁波的形式輻射到空間，并在空間傳播的現(xiàn)象。輻射發(fā)射測(cè)試的場(chǎng)強(qiáng)包括等效磁場(chǎng)天線的差模電流輻射通過(guò)金屬機(jī)箱孔縫泄漏的場(chǎng)強(qiáng)和等效電場(chǎng)天線外接電纜上的共模電流輻射場(chǎng)強(qiáng)，是兩者的矢量疊加結(jié)果。GB 4824-2019《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備 射頻騷擾特性 限值和測(cè)量方法》[1]等同于IEC/CISPR11[2]，是現(xiàn)行的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療射頻設(shè)備騷擾特性在9 kHz～400 GHz 范圍內(nèi)的限值和測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)出現(xiàn)輻射發(fā)射超標(biāo)時(shí)，首先應(yīng)找到引起輻射發(fā)射超標(biāo)的主要原因，常用的排查方法如下。（1）插拔外接電纜：適用于較為簡(jiǎn)單的排查，若拔掉外接電纜時(shí)輻射強(qiáng)度明顯減小，則可判斷為由外拖電纜引起的等效電場(chǎng)天線起主要作用[3]；在電波暗室內(nèi)通過(guò)插拔的方式進(jìn)行排查，不僅利于查找輻射發(fā)射的源頭，而且利于判斷輻射的路徑。（2）采用電流鉗輔助判斷：在外接電纜無(wú)法插拔的情況下，使用電流鉗夾住電纜并測(cè)量電纜上流過(guò)的共模電流，然后通過(guò)頻譜分析儀觀察共模電流的頻譜，若可以觀測(cè)到這一頻譜，則考慮主要由等效電場(chǎng)天線向外輻射電磁能量[3～4]。（3）采用近場(chǎng)搜索技術(shù)：若通過(guò)插拔電纜未有明顯的改觀，或者通過(guò)電流鉗監(jiān)測(cè)不到共模電流，則考慮電磁能量主要通過(guò)機(jī)箱的孔縫向空間輻射，此種情況下可以利用近場(chǎng)探頭和頻譜分析儀探測(cè)騷擾噪聲源[5]。

2 案例分析

晶振作為提供電路頻率基準(zhǔn)的元器件，在輻射發(fā)射試驗(yàn)測(cè)試中，由晶振引起的輻射發(fā)射超過(guò)規(guī)定限值的現(xiàn)象非常普遍，以致設(shè)備通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試的成功率較低。印刷電路板（printed circuit board，PCB）布局布線、接地處理、晶振電源去耦、濾波設(shè)計(jì)等均會(huì)對(duì)晶振的輻射騷擾產(chǎn)生影響[4-5]。根據(jù)傅里葉變換周期信號(hào)的頻譜是離散的（頻譜為頻率的倍頻），若周期信號(hào)對(duì)應(yīng)高速時(shí)鐘信號(hào)，則輻射頻譜中很多等頻率間隔的離散頻譜來(lái)源于時(shí)鐘信號(hào)。

以某醫(yī)療設(shè)備為例，對(duì)晶振引起輻射發(fā)射超標(biāo)的問(wèn)題進(jìn)行研究。設(shè)備采用網(wǎng)口通信，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與主機(jī)的網(wǎng)關(guān)模塊相連，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方式與主控制板傳輸指令，控制設(shè)備的工作過(guò)程。在輻射發(fā)射測(cè)試過(guò)程中，測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果見圖1，經(jīng)分析，超出1組A類（Group 1 Class A）限值的頻點(diǎn)為99.9850、149.9890、199.9440、249.9475 MHz，對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)峰值（QP值）分別為57.787、66.736、53.615、63.000 dBμV/m。以上是規(guī)律的倍頻關(guān)系，通過(guò)分析設(shè)備內(nèi)部PCB，發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)關(guān)模塊板上使用了一個(gè)50 MHz的有源晶振，考慮是晶振作為騷擾源引起的發(fā)射超標(biāo)。于設(shè)備待機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行掃頻測(cè)試，發(fā)現(xiàn)依然存在相同的超標(biāo)頻點(diǎn)；斷掉主控板的供電，僅保持網(wǎng)關(guān)模塊板通電，發(fā)現(xiàn)仍然存在超標(biāo)現(xiàn)象，基本已驗(yàn)證推測(cè)；斷開網(wǎng)關(guān)模塊板的供電，其他電路板保持通電狀態(tài)，掃頻發(fā)現(xiàn)超標(biāo)頻點(diǎn)已消除，通過(guò)對(duì)PCB的分開斷電排查，確定騷擾源來(lái)自于50 MHz的有源晶振。

圖1 設(shè)備整改前的輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果

進(jìn)一步判斷騷擾傳輸途徑，首先通過(guò)插拔外接網(wǎng)線發(fā)現(xiàn)前后數(shù)據(jù)差異不大，排除通過(guò)外接電纜向外傳輸，考慮機(jī)箱孔縫的輻射及機(jī)箱的塑料材質(zhì)不能衰減電磁波；對(duì)網(wǎng)關(guān)模塊板加金屬屏蔽罩，進(jìn)行PCB整體屏蔽處理，重新進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖2，發(fā)現(xiàn)測(cè)試值有所下降，但結(jié)果仍不能滿足限值要求，在頻點(diǎn)99.9850、149.9890、199.9440、249.9475 MHz，對(duì)應(yīng)的QP值分別為50.475、60.247、51.030、60.585 dBμV/m。

圖2 設(shè)備經(jīng)屏蔽處理后的輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果

經(jīng)對(duì)PCB 布板圖及電路圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)PCB 布板圖是較為簡(jiǎn)單的雙層板，晶振離芯片距離較遠(yuǎn)，走線較長(zhǎng)，且走線與地線跨越穿過(guò)；有源晶振供電部分未使用去耦電容，且缺少減少輻射的措施；此外，布板圖布線整體混亂，未有效規(guī)避串?dāng)_問(wèn)題，鋪地平面較少，且不夠完整，見圖3。

圖3 原PCB 布板圖

重新設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)模塊，將網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)合并入網(wǎng)關(guān)模塊。設(shè)計(jì)中，先優(yōu)化高頻線路，去掉原有的網(wǎng)絡(luò)物理接口PHY 電路，選用PLL 倍頻網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)芯片，合并網(wǎng)絡(luò)物理接口與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，同時(shí)將原有的50 MHz 有源晶振改為25 MHz 的無(wú)源晶振，有效降低時(shí)鐘頻率；針對(duì)電路板的設(shè)計(jì)，先優(yōu)化高頻元件布局，增加電源線和地線的布線面積，加強(qiáng)高頻輻射的吸收；針對(duì)高頻電路，加大接地面積，使地線包圍高頻電路，形成“孤島電路”，不僅可防止外圍電路的串?dāng)_，還可減少電磁能量的輻射。改板后的PCB 布板圖見圖4，測(cè)試結(jié)果見圖5。

圖4 改板后的PCB 布板圖

圖5 重新布板后的輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果

3 晶振在PCB 上的常用設(shè)計(jì)規(guī)范及整改措施

3.1 晶振在PCB 上的常用設(shè)計(jì)規(guī)范

（1）優(yōu)化晶振的選擇方法：只要能滿足電路的要求，就盡量選擇頻率低的晶振，由于時(shí)鐘頻率高，考慮到信號(hào)完整性，時(shí)鐘上升沿陡，屬于高速電路，更容易引起輻射騷擾；盡量選擇帶有金屬外殼封裝的晶振，在使用時(shí)配合良好的接地處理可有效減少輻射騷擾；盡量選擇已經(jīng)集成到芯片內(nèi)部的晶振，此類晶振抗擾性較好，但也存在一個(gè)缺點(diǎn)，即晶振的頻率是固定的，由于固定集成在內(nèi)部而無(wú)法對(duì)頻率進(jìn)行修改，因此目前選用的較少；優(yōu)先選擇有源晶振，此類晶振內(nèi)部有自己的起振電路，抗擾性優(yōu)于無(wú)源晶振，但其價(jià)格高，目前多用于高端精密設(shè)備，無(wú)源晶振不能自己起振，需要配合外部時(shí)鐘電路，但因其傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，目前仍應(yīng)用最廣泛。（2）優(yōu)化匹配電容及匹配電阻：根據(jù)晶振出廠參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化選值或推算，在選值時(shí)盡量規(guī)避推薦范圍的兩端值，選取中間值，避免不起振。（3）優(yōu)化PCB布板：盡量使晶振距離芯片較近，縮短線長(zhǎng)，保證時(shí)鐘線短，且切勿使晶振位于PCB的邊緣，離板的邊緣盡量大于20 mm，并確保時(shí)鐘線或高頻信號(hào)線有連續(xù)完整的回流路徑；對(duì)于晶振位置下方，既不可布線也不可鋪地，對(duì)于晶振周圍5～7 mm范圍內(nèi)，盡量不要布線或其他元器件，同時(shí)應(yīng)對(duì)晶振或高頻電路做包地處理，形成“孤島電路”；在進(jìn)行PCB布線時(shí)，應(yīng)盡量使線與線（主要是高頻干擾信號(hào)走線）在板上的距離大于3倍的線寬，若不能實(shí)現(xiàn)，則應(yīng)盡可能保持大于2倍的線寬，以減少串?dāng)_影響；應(yīng)確保晶振的金屬外殼接地良好，以衰減晶振輻射，屏蔽外來(lái)干擾；盡量增大PCB參考地面積，若為多層板，則應(yīng)有完整的地層，且可對(duì)地區(qū)域做分割處理，另外，增大電源線和地線的線寬，且確保晶振在PCB上的映射區(qū)域鋪地；盡量使PCB遠(yuǎn)離I/O口和電源輸入口[6-12]。

3.2 整改措施

由于電磁兼容的復(fù)雜性，加之分析預(yù)測(cè)的精確性不足，即使充分考慮了晶振可能引發(fā)的電磁兼容問(wèn)題，仍可能出現(xiàn)設(shè)備不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況，此時(shí)設(shè)備的電氣結(jié)構(gòu)和機(jī)箱內(nèi)部空間已定，對(duì)整改造成限制。針對(duì)此種情況，需要“對(duì)癥下藥”，盡量在不完全改動(dòng)PCB布局的情況下進(jìn)行整改，常用的整改措施為：（1）濾波，通過(guò)并聯(lián)電容增加芯片電源去耦和時(shí)鐘電源電路去耦，但注意去耦電容的引線要短，或在時(shí)鐘電路輸出端串聯(lián)磁珠，增大感抗進(jìn)行濾波；（2）匹配，在時(shí)鐘輸出管腳加電阻，增加振蕩能量的衰減，或調(diào)節(jié)匹配電容值，確保匹配電容合適；（3）接地，對(duì)晶振金屬外殼進(jìn)行接地處理；（4）屏蔽，增加金屬屏蔽罩或在機(jī)箱內(nèi)部噴涂具有屏蔽作用的導(dǎo)電銅漆/銀漆；（5）充分利用擴(kuò)頻技術(shù)；（6）重新對(duì)PCB布板。

4 小結(jié)

本研究通過(guò)對(duì)晶振引起輻射發(fā)射超標(biāo)的原因進(jìn)行排查，對(duì)整改案例進(jìn)行分析、總結(jié)，為晶振的選取、PCB 布板技巧到產(chǎn)品成品的整改措施提供了參考。但由于檢驗(yàn)階段的整改會(huì)大幅提高產(chǎn)品研發(fā)的成本并拖延產(chǎn)品上市的周期，因此，在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的初期充分考慮電磁兼容性非常必要。摸索適用的PCB 設(shè)計(jì)規(guī)范，總結(jié)有效的整改方法，為醫(yī)用電氣設(shè)備提供設(shè)計(jì)和整改的參考措施，提高產(chǎn)品的電磁兼容性，對(duì)營(yíng)造醫(yī)用電氣設(shè)備良好的電磁使用環(huán)境具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。