【经验】医疗设备中的EMI噪声问题分析和抑制措施

时间： 2019-07-04 来源：Rosenberger

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自2014年起中国实施YY0505-2012标准，强制要求医疗电子设备通过电磁兼容标准检测。四年来，大量的医疗电子设备未能通过其中的传导EMI噪声检测，需进一步处理其传导EMI噪声，以改进其电磁兼容性能。整改传导噪声超标的医疗电子设备，首要在于分析其传导噪声的产生机理，其次是在噪声诊断结果的基础上，采取有效的噪声抑制措施。

1、瞬态电源电流引起的传导EMI 噪声

数字电路中包含各种数字芯片(integrated circuit，简称IC)，每个IC都集成了大量的逻辑电路。

图1(a)中，CMOS逻辑门开关时产生的瞬态电流。当逻辑门由低电平向高电平切换时，由于电容两端电压不能产生突变，在芯片电路中，会产生瞬态电流I_L，此电流会给负载电容C_L充电。

同时，在逻辑门由高到低和由低到高的转换中，图1(a)中两个晶体管部分导通，在电源V_CC和地之间，将产生一个较小的等效阻抗。该阻抗消耗的等效瞬态电流为I_d。IC产生的总瞬态电流，如图1(b)所示，为I_L和I_d的总和。

当数字IC切换时，会产生瞬态电源电流，经过地与直流电源负极形成回路，在直流电源线上引起差模传导EMI噪声。

2、接地不良引起的传导EMI 噪声

被测设备的接地系统接地不良是引起传导EMI噪声的重要原因。接地阻抗不为零，导致接地电流引起接地噪声电压，产生传导EMI噪声。当接地阻抗过大时，会引起过多的传导EMI噪声。

当接地阻抗过大时，传导EMI噪声等效电路如图2(a)所示。其中，I_CM为接地噪声电流,图中以等效电流源表示；Z_CM为接地阻抗，同时也是噪声源等效内阻；Z_load为设备火线对地或零线对地之间的负载阻抗；U_load负载阻抗两端上的传导EMI噪声信号，是共模EMI噪声信号。U_load的表达式，如下式所示：

由上式可知，接地阻抗Z_CM越大，则引起的传导EMI噪声越大。

另外，当接地阻抗一定，即共模传导EMI噪声源内阻抗一定时，电源线对地之间的负载阻抗也一定时，浮地与真正的地之间的寄生阻抗也会引起传导EMI噪声。

图2（b）中，设U_CM为EUT的共模传导EMI噪声源，其噪声源内阻抗为Z_CM，设备火线对地和零线对地之间的阻抗等效为线路上的负载阻抗Z_load，负载阻抗上的噪声电压U_load即为火线对地和零线对地的传导EMI噪声。由于接地不良，浮地与真正的地之间存在寄生电容和寄生电感。Z_S为包含了寄生电容和寄生电感组成的寄生阻抗，与线路负载阻抗串联形成新的等效负载阻抗Z_L，其上的传导EMI噪声为U_L，二者之差ΔU，即为因接地不良引起的共模传导EMI噪声。如式下式所示：

3、串扰引起的传导EMI 噪声

医疗电子设备中一些搭载高频时变信号的线缆上含有大量的传导EMI 噪声，通过串扰的方式使得其它线缆上也感应出传导EMI噪声。尤其是通讯系统的数字控制线中，搭载着来自PCB数字器件上的高频数字信号，在其周围产生射频电磁场，将数字控制线中的高频EMI噪声耦合感应至其周围的线缆上，造成串扰，在被干扰的线缆上引起传导EMI 噪声。

根据法拉第感应定律，串扰引起的传导EMI噪声等效于电感耦合。如图3所示，假设线缆1为医疗电子设备系统内部载有传导EMI噪声的线缆，线缆2为设备火线或零线。V₁为线缆1上的传导EMI噪声，R₁为线缆1与地之间的电阻，V_N为线缆2上因串扰引起的传导EMI 噪声，R₂为线缆2与地之间的电阻。

假设线缆2是无源的闭合环路，环路面积为常数，线缆1在线缆2中产生磁通量，其磁通密度随时间正弦变化，M为线缆1和线缆2两个电路之间的互感，则线缆2上的感应传导EMI噪声电压如下式表示，其中ω为角频率。

4、电容耦合引起的传导EMI噪声

医疗电子设备的传导EMI噪声测试频段为高频情况，要考虑寄生电容的影响，而线缆间通过电容耦合也会引起传导EMI 噪声。

如图4 所示，假设线缆1为医疗电子设备系统内部载有传导EMI 噪声的线缆，线缆2为设备火线或零线。线缆1上的传导EMI噪声通过电压源V₁表示，C_1G是线缆1与地之间的电容，C₁₂是线缆间的寄生电容，C_2G是线缆2与地之间的电容，R为电路2与地之间的电阻，V_N是线缆2上通过电容耦合引起的传导EMI噪声。根据等效电路图，可求得因电容耦合在线缆2上引起的与地之间的传导EMI噪声电压V_N，计算方法如下式所示：

根据以上内容分析，IC的高速切换引起的瞬态电源电流经地流通至直流电源回路中，从而引起传导EMI噪声。若通过电源去耦将这些瞬态电流在流出IC管脚后返回至电源VCC管脚，则可有效抑制瞬态电源电流引起的传导EMI噪声。

由式(1)和式(2)可知，接地不良会引起过量的传导EMI噪声，因此，在设计接地系统时，须加强接地，将接地阻抗减到最小，同时减小浮地与真正的地之间的寄生阻抗。如果设备制造商出于成本考虑，不愿意重新设计PCB电路，还可以通过共模扼流圈与电容组合成滤波器来抑制接地不良引起的共模传导EMI噪声。

由式(3)可知，串扰引起的传导EMI噪声与线缆间的互感M和噪声源线缆上的噪声电流I₁成正比，因此，可以通过减小互感M和噪声电流I₁抑制传导EMI噪声。M由几何形状和线缆间的媒介磁特性决定，采用双绞线可有效减小耦合。在系统线缆上卡磁环、在线缆两端对地并电容可减小噪声电流。由式(4)可知，电容耦合引起的传导EMI噪声与线缆间的互电容及噪声源线缆上的噪声电压成正比。因此，可通过增加线缆间距、屏蔽线缆的方式减小电容耦合。

罗森伯格依托德国六十年的技术积淀，致力于为客户提供定制化解决方案。通过将电源、信号、触发器等有效的组合到一个线缆组件中，减少端口数量的同时减小线缆间的干扰，为医疗设备提供混合电缆和连接器，解决EMI噪声问题。

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全部评论（1）

maomao Lv8. 研究员 2019-07-04

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