电源滤波器在医用电气设备中的应用

摘要：本文通过分析电磁干扰的主要类型以及其在医用电气设备中的危害，着重讨论将电源滤波器应用于医用电气设备中，以解决医用电气设备的电磁干扰现象。
关键词：医用电气设备；电源滤波器；电磁干扰

0 引言
    生物医学工程在现代化医院中所起的作用越来越重要。医疗设备的更新换代日新月异，高精尖的医疗设备更是决定着医疗服务水平，医疗仪器设备种类、规模和先进程度成为现代化医院的一个重要标志。然而现代科学技术也悄然将电磁污染的阴影笼罩在医院上空。在医院门诊室、手术室和病房中，一台有强电磁辐射的医用电气设备产生的电磁干扰会破坏或降低其他医用电气设备的工作性能；并通过对人体组织器官的物理化学作用产生有害的生理效应，对人体组织器官造成伤害，危及人类的身体健康。因此世界上许多国家都开始关注医用电气设备的电磁辐射问题，并制定了相应的标准和文件，提出了对医用电气设备的辐射和抗干扰的强制性要求。欧盟医疗器械指令93／42／EEC-Medi-cal Device Directive中明确规定--需要做CE认证出口到欧共体各成员国的医用电气设备必须通过IEC 60601-1-2标准中规定的电磁兼容性测试。我国医药行业标准YY0505-2005对医用电气设备的电磁兼容也做了相应的要求，并于2007年开始正式执行。因此，各医疗电气设备生产企业对电磁干扰的关注日益加强。

1 电磁干扰的类型
    电磁兼容指的是一个产品和其它产品共存于特定的电磁环境中，而不会引起其它产品或者自身性能下降或损坏的能力，它主要包括辐射性和抗扰性两个领域。电磁干扰主要有两种类型：
1．1 辐射干扰
    辐射干扰是指设备产生的电磁波通过空间传播，并对其他设备电路产生无用电压／电流的一种干扰方式。当两台设备间的距离与波长相比较长时，干扰以电磁波的形式传播。例如，在医生使用手机时，旁边的医用设备电脑显示器图像会出现抖动，这是因为手机工作时发出的信号通过空间以电磁场的形式传输到显示器内部。
1．2 传导干扰
    传导干扰是指一台设备产生的电压／电流变化通过电源线、信号线传导并影响其他设备的一种干扰方式。当设备与导线的长度比波长短时，传导干扰主要是通过电源线、控制线、信号线传输的共模干扰和差模干扰，还有不同设备使用公共电源或公共地线所产生的共阻抗干扰。现代化的医院里，由于诊断病情和手术的需要，门诊室和手术室里往往不再是单一的医疗设备，而是多台设备集中放置，这就不可避免地使多台医用电气设备共用一个电源。电源线本来一般只是输送50Hz交流电，但是由于连接设备的电磁干扰，使电源线上的电流很不纯净。传导干扰很容易通过电源线进入医疗设备中，使得设备出错甚至损坏，从而影响诊断结果的正确性。如果这样的传导干扰出现在手术过程中，严重时会危害到患者的生命安全。因此，在医用电气设备中抑制电源线的传导干扰非常重要。通常，我们采用的主要且有效的方法就是在被干扰设备的电源线上安装电源滤波器。

2 电源滤波器在医用设备中的具体应用
    医用手术显微镜需出口欧盟，根据IEC 60601-1-2标准规定，对其进行电磁兼容性测试。发现该产品交流电源端口的传导干扰测试结果如图1所示。由图可见，该产品电源端口的传导干扰没有通过Class B限值的要求。经分析讨论，决定在产品电源输入端加装电源滤波器。


2. 1 电源滤波器的选择
    滤波器是一种二端口网络，具有选择频率的特性，它可以让某些频率顺利通过，而对其他频率则加以阻拦。电源滤波器属于抑制干扰滤波器，从频率选择的角度来说，也属于低通滤波器，它能够毫无衰减地把直流电源和交流电源的功率输送到设备上去，同时又能使高频干扰信号大大地衰减，以保护设备免受损坏。在选择具体型号时，要想在抑制的电磁干扰信号频率范围内实现最大可能的失配，使需要抑制的电磁干扰信号受到最大可能的衰减，就必须根据滤波器两端将要连接的电源阻抗和负载阻抗来选择电源滤波器的网络结构和参数，才能取得满意的抑制干扰的效果。经过选择，我们选择内部是无源低通网络的电源滤波器(TYCO公司生产的 6EHG1-2型号)。将该滤波器一端接入干扰源，负载端接被干扰设备，可以抑制电源线上存在的共模EMI信号，使其受到衰减，并控制到很低的电平上。
2．2 电源滤波器的安装
    在正确选择滤波器之后，将该电源滤波器加装在手术显微镜电源输入端，但产品仍没有通过传导干扰测试。分析其原因：先是怀疑滤波器接地不良导致滤波器效果变差。于是把机箱放在接地平面上，滤波器电源用短线直接接地，结果仍然没有改善。经过观察试验，发现产品中的电源滤波器安装位置不同，传导干扰测试结果有所不同。当电源滤波器如图2(a)所示方式进行安装时，传导干扰测试结果没有明显改善；当电源滤波器如图2(b)所示方式进行安装并用金属螺钉与星形弹簧垫圈把滤波器的屏蔽牢牢地固定在设备电源入口的机器金属外壳上时，传导干扰测试数据有明显降低。经分析我们发现，图2(a)方式安装会导致滤波器输入端导线和输出端导线之间形成电磁耦合路径，从而在导线中形成串扰，如果这时再把滤波器输入端和输出端的电缆捆扎在一起，更会加剧滤波器输入输出端之间的电磁耦合，严重破坏滤波器和设备屏蔽对干扰信号的抑制能力，使得滤波器一端的EMI信号会逃脱滤波器对其的限制，不经过滤波器的衰减而直接耦合到滤波器的另一端。图2(b)方式安装是通过借助设备的屏蔽，把电源滤波器的输入端和输出端有效地隔离开来，把两端之间可能存在的电磁耦合(即串扰)控制到最低程度。并且将滤波器安装在电源进线入口面的设备外壳上，滤波器的屏蔽壳与设备外壳(设备外壳接地)接触良好，使得滤波器接地良好。


    由此可得，滤波器的正确安装也是防止电磁干扰十分重要的环节。采用电源滤波器的目的是防止来自电源的传导干扰直接进入医用电气设备。如果滤波器安装不当，即使在屏蔽柜内，电源线的干扰也会通过辐射或感应影响医用电气设备，因此正确的安装方法非常重要。
2．3 改进措施
    根据以上理论分析，在该手术显微镜电源输入端加装电源滤波器，并保证滤波器输入、输出之间的良好隔离，同时辅助一些内部电路的改动，再次进行测试，测试结果如图3所示。该产品电源端口的传导干扰通过ClassB限值的要求。根据改动的方案对该手术显微镜批量生产，每台产品电磁兼容性测试结果全部符合标准要求。



3 结语
    电源滤波器是为了满足产品电磁兼容性要求时常用的器件，将其接入设备电源线的入口处后，既能有效抑制来自电网的干扰信号进入设备，又能抑制设备内部电路产生的干扰信号通过电源线传向电网。在医用电气设备的生产过程中，为了能够让电磁兼容性设计满足要求，不仅需要选择滤波效果良好的电源滤波器，更要针对电磁兼容性要求正确安装滤波器。