某型三氧治疗仪电快速脉冲群(EFT)电磁兼容整改案例分析第589期

作者:电磁兼容之家 / 公众号:emc-2015 发布时间:2019-09-19


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第587期
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)
1.产品介绍
如图1所示为某公司生产的三氧治疗仪,这种治疗仪具有高效、快速、广谱的杀菌特性,对细菌繁殖体、细菌芽胞、病毒、真菌等致病微生物有极强的杀灭作用。治疗仪可治疗各种致病微生物引起的妇科外生殖系统疾病,活性成分可促进上皮细胞生长和创伤面的愈合,进而达到彻底治疗宫颈的效果。同时三氧治疗仪具有修复作用,臭氧和活性成分可增加细胞活力,加速创伤面愈合,缩短修复期。
1.问题叙述
《GB/T 17626.4-2008电磁兼容试验和测试技术电快速脉冲群抗干扰度试验》(等同于IEC制定的IEC61000-4-4标准)标准中规定了快速瞬变脉冲群试验标准和测试方法,如表1所示。
表1 脉冲群测试试验等级
等级
电源端口与保护接地(PE)
I/O信号、数据和控制端口
电压峰值(kV)
重复频率(kHz)
电压峰值(kV)
重复频率(kHz)
1
0.5
5/100
0.25
5/100
2
1
5/100
0.5
5/100
3
2
5/100
1
5/100
4
4
5/100
2
5/100
X
特定
特定
特定
特定
X是开放等级,在专用设备技术中必须对这个级别加以规定
由于射频器件或开关器件以及数字电路控制模块在系统中的应用,三氧治疗仪在其正常工作的时候不仅会产生大量电磁干扰的同时也会受到来自外界电磁环境噪声的影响,按中华人民共和国医药行业标准(YY-0505-2012),使用电快速脉冲群发生器在供电电源端口分别进行实验电压峰值为正负1KV和2KV,重复频率为5kHz,测试时长为60s。正常工作时,从操作面板给治疗仪操作信号以后,氧气罐中能够产生白色稀薄烟雾,程序响应及时灵敏。在设备的电源端施加电快速脉冲群后,该三氧治疗仪未通过EFT抗扰度测试。它的具体现象为在测试的过程中出现显示屏闪屏的现象。并且只有断电重启才能恢复正常,自身不能够恢复正常。图2为三氧治疗仪受到EFT干扰信号时故障图。
图2三氧治疗仪故障图
1.问题诊断与分析
EFT主要以传导的方式干扰了三氧治疗仪装置的电源端口、变压器端口。印制电路板上包含了许多如MOSFET、二极管等敏感电子元器件,当这些电路模块受到波形上升时间短,重复频率较高的电快速脉冲群冲击的时候电荷积累在非线性储能元件中,影响了局部敏感元件的功能,并因此干扰了治疗仪的内部回路,严重影响了该治疗仪的正常运行。根据原理性分析首先查看地线,在接地正常完好的情况下,由显示板有显示问题,因此需要再检查电源进线。拆开后面机壳后可以看出系统设计存在一定缺陷,高频开关器件与敏感放大器件距离过近导致放大器接收了过多高频串扰;同时电路板之间走线杂乱,且过长,形成了多个与辐射干扰天线等效的回路。各个PCB极板上的电源线仅仅简单接地并无有效的屏蔽措施。内部有一个用来产生三氧的电动机,由于电动机是非线性装置,会耦合出大量不同频段的干扰信号,这些信号没有得到屏蔽因此都被三氧治疗仪的显示模块和三氧输出模块所接收。
4.整改措施及理论分析
当对三氧治疗仪施加电快速脉冲群的时候,EFT对治疗仪的影响可以利用示波器和电压探头来进行观察。在实验中对电源端口施加2KV的EFT干扰,会出现尖峰干扰电压的现象,图3是施加EFT后三氧治疗仪功率输出端输出的波形。
图3三氧治疗仪输出端波形
(1)在电源线上安装EFT低通滤波器
该低通滤波器的作用机理是:当正常电流通过时,电流在线圈中形成反向的磁场而相互抵消,正常信号主要受线圈的电阻影响;当高频的共模噪声电流通过线圈时,会在线圈中产生同向的磁场而增大线圈的感抗,使线圈呈现高阻抗状态,从而衰减高频共模电流,达到滤波的目的。电容具有吸收谐波的作用,在低通滤波器中做电气旁路用,与电感配合,达到阻抗匹配,使得滤波效果最强。
首先设计了一个常规的EFT滤波器如图4所示。模扼流圈N1、N2电感取2mH,同时零线和火线的之间的电容C1、C2取容值为20nF左右,零线和地线以及火线和地线的电容C3、C4取值为5nF左右。
图4共模扼流圈模型
由于EFT的幅值较大,且频带极宽,但是能量主要是集中在1-100MHz,EFT干扰属于高频电磁干扰,采用低通滤波器可以大幅度滤除注入电路的高频噪声。但是由于EFT脉冲能量大,脉冲群的单个脉冲波形前沿tr达到5ns,脉宽达到50ns,脉冲幅值又相当大,这就注定了脉冲群干扰具有极其丰富的谐波成分,由公式EMS-EFT-001与EMS-EFT-001可知谐波中心频率及波长。基本的EFT低通滤波器无法将这么宽频带的噪声滤除干净,系统在2KV测试时还会有屏幕闪烁的现象,因此需要对低通滤波器进行改进。
通过对共模扼流圈的寄生参数进行自感寄生参数抑制、互感寄生参数抑制加强了扼流圈中对地电容在高频时的作用,消除了高频等效串联电感。经测试再次将电压幅值抬高到2kV时三氧治疗仪也能正常工作,这表明此时的EFT滤波器的效果比较理想,测量结果如图5,测试结果比较满足要求。
图5改装后的EFT测试图
表2EFT滤波器测试结果对比
措施
测试结果
电压
结果
未加装滤波器
2000V
未通过
基本低通滤波器
效果不理想
平衡寄生参数后的滤波器
滤波效果稳定且降低明显
(2)电源与通讯线缆上卡磁环
铁氧体磁环在中高频时呈现高阻态,相当于在电路传输线上串联差模电感,而这种等效电感由于品质因数很低。在工作时,磁环使进入电源线的高频脉冲电流产生的脉冲磁场在磁环上形成涡流,将高频能量以热能的形式消耗掉,因此对于高频差模干扰信号有很好的抑制作用,不同的磁环有不同的阻抗特性,设计电路时需要计算使得磁环的截止频率正好落在干扰信号频率附近。铁氧体磁环属于吸收性滤波器件,多圈绕制可以改变磁环的阻抗特性,配合使用可以提高磁环在整个频段内的滤波性能。
磁环在处理电磁兼容问题时可起到非常重要的作用,磁环既可以滤除外界环境对系统的干扰,同时也能阻止系统内部的干扰进入空间电磁环境,对滤除高频干扰有很好的效果,加之安装方便而被广泛使用。磁环的添加方式如图6所示。
图6在信号输出端卡扣磁环
表3EFT磁环测试结果对比
措施
测试结果
电压
结果
未加装磁环
2000V
未通过
基本磁环
示波器中依然有许多脉冲谐波干扰
多匝线绕磁环
脉冲谐波干扰明显小于单匝时
(3)对敏感电路进行局部屏蔽,提高敏感电路的抗干扰性
三氧治疗仪主控板上存在很多MOSFET以及电磁继电器,这些器件的开关过程中会产生大量的di/dt、dv/dt,这些周期性的脉冲信号可以通过电场耦合、磁场耦合,传导耦合、共阻抗耦合的方式与EFT干扰信号耦合成非线性干扰信号,电磁屏蔽就是要避免这种耦合的发生,从而降低消除噪声的难度。屏蔽的原理在于用金属材料将电磁干扰源封闭起来,使其外部电磁场强度低于允许值;或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来,使其内部电磁场强度低于允许值。一般来说屏蔽效能在30dB以上才能称得上有效屏蔽,而屏蔽效能的计算公式如式:EMS-EFT-003。
式中,和分别为入射和透射电场强度。
在电路理论方法中,在屏蔽体中入射场感应产生电流这些电流反过来产生附加的场,在某些空间区域抵消了原来的入射场,这样的处理方法称为吸收损耗,一般针对低频磁场。还有的方式采取了将部分电磁波从表面反射回来,这种反射损耗与屏蔽体的阻抗特性有关。采用屏蔽的手段能够比较有效的减少来自EFT脉冲群通过开关器件以及数字电路引起的二
次辐射干扰对于电路其它部分的干扰。图7是信号线采用金属铜膜屏蔽措施
图7金属铜膜覆盖屏蔽信号线
表4EFT屏蔽测试结果对比
措施
测试结果
电压
结果
未覆盖铜膜
2000V
未通过
未覆盖数字电路芯片
设备响应不正常,且显示有错误
铜膜覆盖数字芯片
治疗仪工作正常
5.整改后最终结果
经过上述分析论证后在三氧治疗仪上添加了磁环、铜膜、EFT滤波器,同时改进了仪器上的PCB板级地线走向,从串联单点接地改为并联单点接地。整改完毕加装所有措施之后再测试,结果显示整改措施有效可靠,能够使三氧治疗仪在1KV与2KV电压等级EFT测试干扰环境下正常工作。
表5EFT整改前后对比表
电压等级
整改之前
整改之后
1KV
按钮灵敏度降低、指示灯有异常的闪动
按钮在脉冲群下反应正常、指示灯正常发光,无闪动
2KV
通信时常中断抽样压缩机无反应、屏幕出现不正常模糊图像、出现倒机现象
屏幕上无模糊不清晰的图像,实验结束前机器都没出现倒机、重启现象
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