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医用雾化器传导骚扰(CE)电磁兼容整改案例分析

嘉峪亚博体育首页注册--任意三数字加yabo.com直达官网网????????2019-09-11 11:19

产品电磁兼容整改标准:中华人民共和国医药行业标准YY0505-2012

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1.产品简介

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某型雾化器的外观是台式设备,是医用雾化器,主要用于医院、诊所、家庭等场所,主要功能是治疗各种上下呼吸系统疾病。雾化器的使用原理是超声波雾化片将药液雾化成微小颗粒,药物通过呼吸吸入的方式进入呼吸道和肺部沉积,从而达到无痛、迅速有效治疗的目的。

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该雾化器的电路结构主要由电源、整流、电机、雾化片、传感器几部分组成,电源是220v的交流电,整流桥将交流变成直流,给雾化器的雾化片、传感器、电机几个模块供电。雾化片是一个超声波发生装置,可以将药液雾化,而电机则负责将雾化的药物鼓吹出装置,送入人体,传感器是监视药液水位的,当水位不足时,会反馈给工作电路。

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2.问题描述

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按中华人民共和国医药行业标准(YY-0505-2012B标,采用江苏省电气装备电磁兼容工程实验室德国罗德施瓦茨R&S的人工电源网络(ENV216)和EMI接收机(ESL3)进行测试,测试的频率范围为150kHz——30MHz?,在150kHz——5MHz频段的标准线是47dBμV/m,在5MHz——30MHz频段的标准线是50 dBμV/m原始测试结果如图2所示,没有通过测试。

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某型雾化器传导骚扰(CE)电磁兼容整改案例分析

2?雾化器CE初测未通过,在1.7MHz及其倍频处超标严重

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原始测试结果如图2所示。可以明显看到峰值和均值都有超标现象,尤其在1.7MHz及其倍频处超标严重,没有通过测试。

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3.问题诊断与分析

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雾化器的功能模块图如图3所示:

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某型雾化器传导骚扰(CE)电磁兼容整改案例分析

3 雾化器模块图

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观察图2所示的初测结果可知,超标频段主要在1.7MHZ及其倍频的频段上,而该超声波雾化器的雾化片即以1.7MHz工作,因此,该传导问题主要是由于PCB线路的特征阻抗失配引起的信号失真。阻抗失配激起雾化片的工作信号在线缆中多次反射、透射,导致信号主频的高次谐波在电路中形成振铃,导致大量的失真噪声。通过含有阻抗匹配网络的滤波器可以有效的补偿失配阻抗,能大幅度减少1.7MHz工作信号的失真。如果抑制了自雾化片工作信号基频的噪声,其倍频上的噪声是很容易降低下来的,同时又妨碍超声波雾化器正常工作。此外,150kHz500kHz频段也超标了,该频段的噪声可能主要来自电源线和其他高频器件,可采用电容滤波和磁环滤波。

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4. 整改措施及理论分析

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1)变压器两侧加含阻抗匹配网络的EMI滤波器

雾化片为主要噪声源,其问题根源是PCB线缆阻抗失配,导致主频信号及其高次谐波在电路中震荡,因此必须补偿失配阻抗使得电路平衡,减少信号失真。同时,采用EMI滤波器能够滤除电路中的EMI噪声。变压器是噪声传播到LISN的必经通道,于是如图4所示,在变压器的初级和次级均加一个EMI滤波器,初级侧的滤波器主要由共模电感、安规电容、陶瓷电容组成,次级侧的滤波器由共模电感、陶瓷电容组成。

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4?在变压器输出侧EMI滤波器的措施图

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在一个理想的平衡系统中,没有共模噪声可耦合进电路。然而实际中,小的不平衡可能限制噪声抑制;这包括源的不平衡、负载的不平衡和电缆的不平衡以及出现的任何杂散或寄生阻抗的不平衡。当频率升高时,电抗性不平衡变得更加重要。

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5?负载阻抗不平衡的等效电路图

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5所示为负载阻抗不平衡的等效电路图,其中ΔZL表示阻抗不平衡,假设ZL远远大于ZS,则该电路的共模抑制比将为:

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???????????????????(EMI-CE-004-1)

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由此可知,无论ΔZL多大,越大,噪声抑制就越强。因此,源阻抗低而负载阻抗高将产生最大的共模抑制比。据此在变压器次级给设备EMI滤波器。但是EMI滤波器为什么采用π型滤波器呢?因为对于最大衰减,高阻抗元件(电感)面对低阻抗负载LISN,而低阻抗滤波器元件(旁路电容)面对高阻抗源(噪声源)。其一般结构如图6所示,两个线对地的电容和共模扼流圈形成了一个L-C低通滤波器的共模部分。

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6?EMI滤波器的结构

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在变压器两侧加EMI滤波器,对设备再次进行测量。测试结果如图7所示。

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a)初测结果

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(b)加滤波器后的结果

7加滤波器的测量结果对比图

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由图7可知,150kHz—500kHz频段的噪声得到了很好的抑制,虽然1.7MHz及其一倍频段上的的噪声还没有抑制在标准线以下,但是其高倍频段上的高频噪声已经得到很好的抑制。如表1所示,是加滤波器前后的数据对比。

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1整改前后结果对比

频点/MHz

1.7460

3.4980

17.5020

19.8940

22.8180

抑制前dBμV/m

60.14

50.36

52.73

70.22

68.94

抑制后dBμV/m

59.51

40.58

29.25

30.18

26.56

下降值dBμV/m

0.63

9.78

23.48

40.04

42.38

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(2)在PCB板上的电源端口及高频器件端口处加电容

为了更好地抑制1.7MHz频段上的噪声,需要在传导噪声传播的路径上加更多措施,于是,如图8所示,在PCB板上的芯片时钟信号管脚、整流桥、开关器件等处对地并接陶瓷电容,有104102101等,这是因为开关的高频地动作会产生大量谐波,而电容可以吸收部分谐波。

不可控整流桥属于高频开关电路,产生的谐波量大,噪声通过寄生电容耦合到地和其他线路,主要属于共模干扰,噪声电压与噪声电流、频率、线缆长度之间有如下关系::

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? ? ? ? ??EMI-CE-004-2

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本文在在整流桥的输入和输出两端均并联1nF的电容进行滤波,其示意图如图9所示。电容值的选定视超标噪声频段而定,一般有噪声频率越高选用的滤波电容越小的关系,反之,噪声频段越低则选用的滤波电容越大。

PCB上有集成运算放大器等芯片,连接其信号输入输出、时钟信号的线缆上均有噪声产生,本文通过在这些端口对地并联1nF的贴片电容或陶瓷电容噪声进行抑制。

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8?PCB上的端口及开关器件上并电容

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9?整流桥直流输出的地方加电容的示意

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10前面措施基础上,于?PCB上的端口及开关器件端口处并电容后的测试结果

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2在前面措施的基础上,于?PCB上的端口及开关器件端口处并电容前后的测试数据对比表

频点/MHz

1.7460

3.4980

17.5020

19.8940

22.8180

抑制前dBμV/m

60.14

50.36

52.73

70.22

68.94

抑制后dBμV/m

35.16

37.21

27.15

28.98

24.56

下降值dBμV/m

25.98

13.15

25.28

41.24

44.38

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由表2可知?PCB上的端口及开关器件端口处并电容后1.7MHz及其一次倍频上的噪声都大幅度降低,150k——30M全频段的幅值都在标准线以下,但是在1.7MHz处的裕量比较小,需要继续优化。

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3)在电源线及信号线缆上卡磁环

如果电源线与信号线离得太近甚至交叉的话,根据麦克斯韦方程,线缆周围会产生射频电磁场,从而将高频噪声耦合至其他线路,即由于串扰而引起传导噪声。如图11所示,在电源线、信号线上卡磁环,并注意把线缕好,让变压器的初级与次级的线缆要保持一定距离,不允许交叉,并将两级上所带的EMI滤波器隔开。磁环的作用等效于一个耦合电感,能够吸收高频噪声。

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11?电源线及信号线缆上卡磁环

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磁环是铁氧体材料,在电源线或信号线上卡磁环,在高频情况下,如图12所示,磁环对线缆有互感的作用,等效于给该线缆串联一个电感。如果同时卡住火线和零线,则等效于给该线缆串联一个共模电感,增大线缆的共模源阻抗,以抑制噪声电流。另外根据电磁感应原理可知,当线缆(电源线)不间断地向外辐射高频电磁波时,磁环中的磁场强度会发生变化,因而产生感应电流。此时若磁环选用高磁滞系数和低电阻率的磁材磁质,则使产生的高频能量转换成热能,从而消耗掉。即可有效地抑制低频段存在的噪声。

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12?在电源线或信号线缆上卡磁环的等效电路模型,VCM为传导噪声源,磁环等效成一个互感为M的共模电感,ZL是负载

在前面措施的基础上,给雾化器的电源线及信号线上卡磁环后,继续测量,测量结果如图11所示

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13?前面措施的基础上,给雾化器的电源线及信号线上卡磁环测试结果,通过测试

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3在前面措施的基础上,给雾化器的电源线及信号线上卡磁环测试数据对比表

频点/MHz

抑制前dBμV/m

抑制后dBμV/m

下降值dBμV/m

结论

1.7460

34.16

32.31

2.85

通过测试

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13可知在前面措施的基础上,给雾化器的电源线及信号线上卡磁环的测试结果,150k——30M全频段的幅值都在标准线以下,且有10dBμV/m以上的安全裕量,通过了CE测试。

5.最终整改结果

综合采取上述措施后,采用江苏省电气装备电磁兼容工程实验室德国罗德施瓦茨R&S的人工电源网络(ENV216)和EMI接收机(ESL3)进行测试结果11所示150k——30M全频段的幅值都在标准线以下,且有10dBμV/m以上的安全裕量,通过了CE测试。对比分析213,可归纳出被测设备整改前后的测试对比如表4所示

4?整改前后对比结论

整改前超标频段

整改后超标频段

结论

1.7MHZ及其倍频的频段上和150kHz—500kHz频段上超标

无超标频段

整改通过

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来源:电磁兼容之家