仪器设备设计者们经常会遇到许多有关发射与抗干扰等问题，其中电磁干扰
(ElectroMagnetic Interference，EMI)问题在很多行业中是个常见的小毛病，但在某些特殊的行业，如医学电子学中，由于患者的安全需要及生理信号电平的敏感性，电磁干扰就成为需要专门解决的重要问题。国家标准GB9706.1《医用电气设备第一部分：安全通用要求》以及国际标准IEC60601很好地推动了医疗器械的发展。其重点在于抗干扰，但同时亦注意了干扰源问题。但国内的一些生产商对电磁干扰问题的注意仍不够充分。因此本文想通过介绍专注于电磁兼容问题咨询服务的Kimmel-Gerke Associates公司几位创办人总结的医学电子学常见的十大电磁干扰问题，给大家提供一些更多的相关信息，共同关注与解决医学电子学中的电磁干扰。
1. 接地阻抗高
接地阻抗之所以排在十大问题的第一位，是因为这一问题的发生频率最高。绝大多数的高频问题，无论是同发射、自兼容性还是抗干扰性相关，归根结底还是与接地阻抗高有关。这些问题既非低频接地回路也非接地场所问题所导致，而是由于局部接地阻抗(如线路板或电缆)产生问题而引起。高阻抗的接地路径通常会导致电缆屏蔽失效并产生共模电流。
由于通常的导线和经始线大都是高阻抗性的，因此高频时要采用接地板以维持接地阻抗尽可能的低。多高才算高频还需要由实际应用情况决定。对于导线和经始线，其感抗比线路的音频阻抗大时，设计者就应当避免应用导线或者编织线接地。根据经验，每英寸长导线的感抗约20nH。在100MHz时，1英寸导线的感抗为2nfL或12W。在射频情况下，应对任何长度的导线都持怀疑态度，接地导线的宽度至少是其长度的1/5，就是说对于一个5英寸长的接地片而言，其宽度至少应为1英寸。
2. 电缆屏蔽不足
当碰到发射或抗射频干扰问题时，通常也会涉及到电缆问题，其接地阻抗在电缆终端性能中起到很大作用。
妥善解决高频射频干扰(Radio-Frequency Immunity，RFI)和发射传播问题的办法就是在电缆的两端设置环形电缆终端。如果连接器同屏蔽体不匹配，屏蔽就将失效(图1)。“一点接地”的原则适用于音频但对射频没有多大效果。比较棘手的事情是，与患者连接的电缆不能有地的屏蔽，由于电缆不能终止于患者终端，因此屏蔽就不能两端接地，此外，在设备终端不能有效接地，甚至需要维持绝缘。当患者不被连接或需维持绝缘时，可以有效地实行电缆屏蔽，外观检查可以判定电缆屏蔽是否有效，但在现场或是测试时仍会遇到问题，因此对于患者而言，滤波效应比屏蔽更重要。
电缆屏蔽可以一点接地，但如果电缆的长度超过波长的1/20时，电缆屏蔽就需要两点接地，电缆长度是波长的1/4时的情况最糟糕。从普通的家电城里买来的电缆大都是一端接地，很少有两端全部接地的。如果有两端接地的情况，也会在包装上有所说明。另外许多可购买的电缆用的都是编织线制品，这对电磁兼容性(Electro-Magnetic Compatibility，EMC)很不利。
此外，电缆屏蔽也很容易遭到破坏。许多电缆屏蔽物都是由Mylar箔制成的，不是很结实，有时即使是轻微的触碰，也会造成屏蔽物的破裂，降低屏蔽效果，而这种破裂又很难用肉眼发现，即使用数字伏特计也很难测量出来。
最后，电缆屏蔽要通过地线接地，因此如果地线碰到了连接器里的一个针或者外面的一个螺丝就会导致屏蔽效果降低甚至完全失效。
3. 开关电源发射
开关电源或交—直流转换器发射问题由来已久，开关节点(收集板或排放板)的电流使得散热器出现耦合噪音，产生传导发射问题，如图2。这个问题虽然很普遍，但在医学电子学中却尤其严重。但由于键路火花消除器技术难以发现此问题，所以，要尽量避免共模电流的产生，关键要做到尽可能的使差模滤波靠近故障元件，在可能的情况下最大限度地维持噪音节点的物理绝缘性，还要选好合适的位置安放散热器。
4. 电源滤波器
由于发射不可能局限于开关设备自身，因此电源线路滤波器也是抗射频干扰的一个重要因素。在通常的电源滤波器中设置一个小电容(Y-电容)可以使共模电流得到控制，但在医用仪器电源滤波器中不采用此类小电容，因为它会导致漏电流过大。这就使设计人员失去了一个有效的手段，剩下来的唯一手段就是采用电感的串联阻抗。制作一个电源线路滤波器可不是平常的业余人士就可以做到的，想成功制造它就得确定能够解决所有存在于滤波器内部部件、电线以及临近部件的寄生性元件问题，现在不少的电源滤波器厂家都能很好的解决这些问题。
5. LCD发射
医用电子仪器中，持续增加的液晶显示器(Liquid-Crystal Display，LCD)的应用也带来了LCD发射问题。LCD面板通常由电路板上发出的一根弯曲电缆所驱动，而到达LCD的电流却不是完全返回到这根电缆中，其中的一小部分会形成共模电流，用以驱动LCD，这样就又出现了第一节讨论的接地阻抗问题(图3)。
这种情况下，首先需要利用尽可能短的回路将电流全部返回到驱动电路板中，通过弯曲电缆下的一个接地片降低返回路径的阻抗；最好是能够直接将电流从LCD面板回流入电路板中，如果可能，最好使面板的四角都接地。作为其结构的一部分，许多LCD在背面都有一金属外壳，如果某种特殊的显示器没有，那么设计者就要为之特别安装一个。如果医疗设备具有金属外壳，设计者应当将LCD的四角完全接地。
6. 内置耦合通道偏移
在高频状态下，内置耦合通道在电磁干扰方面起了很大作用。这些通道可以设置于设备的任何地方，但更多的会设置于敏感性强的患者信号的输入电缆中。设置地方的不同会导致成功或失败两种结果。
出现这样的问题有几种解决方式。一个就是采用从电感器或是铁氧体至临近的金属性物质的电容耦合，这些元件通常置于输入与输出端以抑制内部和外部的射频干扰，这样做就是使朝向噪音源的电感器端带有相当大的高频电压，这种电感器可电容耦合于任何临近的金属性物质，如接地层、电路板、散热器等。采用这样的方式要十分小心，避免同一些敏感器件相耦合。采用从电路板元件至连接器插针的电容耦合也是可选择的一种方式，但这种通道可能旁路了放置于电路板上的滤波元件。将铁氧体放在电缆外部比将之放在电路板内部好一些，这种方式可终止存在于连接器旁法拉第屏蔽的耦合通道。
7. 寄生元器件
除上述的耦合通道偏移外，元器件本身的缺陷也会限制其性能。寄生现象存在于任何元器件中，课堂上所提到的理想元器件也只能存在于课本中。
所有的电容器都有串联电感，构成串联谐振电路；所有线绕的电感器都有绕组间电容，可引起并联谐振电路。这种电路谐振比你能想像到的低频还要低。许多电容器谐振低于100MHz，线绕的电感器谐振低于20MHz，甚至于小变压器亦有5MHz以下的谐振。因此设计者们要了解这些元器件的性能，因为无论是滤波器还是退耦元件，它们都是在谐振状态下工作的。
不管是主动元件还是被动元件，都存在这种谐振问题，包括引线框架和焊接线及元件本身的杂散电容与电感，这将导致针与针之间的串扰问题。这种串扰不但能损坏针还能降低传输速度。寄生元件还可同外部电路元件相互作用，引起一连串的谐振反应。
8. 信号回返不当
对于电缆尤其是内部系统电缆而言，没有足够的信号回返线路是个常见问题。设计者在进行设计构想时总认为即使多一根的接地回返线路也是浪费。因此在碰到高接地阻抗时就会产生这样的问题：信号从一根线路里发出，绝大多数又会从回返线路里返回，然而除非回返线路的阻抗是0，否则就会有一小部分电流回返至偏移通道；即使这一小部分电流只有信号的千分之一，也足够引起共模电流发射问题。在此种情况下，分流产生的电压足以引起数据出错，导致信号不准。
需要多少回返线路需要由数据传输速度以及传输长度计算。对于超过100MHz的高速传输，建议采用一对一的回返线路，而对于小于10MHz的低速传输，采用一对五的回返线路即可。
9. 回返通道间断
随着信号传输速度的不断加快，印刷线路板(Printed Circuit Board，PCB)中的电磁兼容性问题显得愈来愈重要，而许多PCB问题可归结至回返通道的间断。
这一问题始终围绕着信号电流回路，理想的情况是信号沿着一条线路传出然后迅速沿之返回。可是根据物理学的最小能量消耗定律，电流通常是沿着最小能量路径返回，时常这些回返通道会有不连续的中断，如此，电流就得越过中断才可传输，当这种情况发生时，就会引起信号反射。
因此进行设计时，最好花费与创建信号通道同样长的时间来考虑信号回返通道怎样设计才更合理。设计师应当合理设计避免产生隙缝横越，最好在通道附近安放一个电容器。当然并非要所有的信号传输都要这样设计，一般这样的设计用于比较重要的信号传输以避免引起发射。
10. 金属外壳静电放电
静电放电(ElectroStatic Discharge，ESD)问题是一个经常发生且让人追悔莫及的事。为了降低发射和抗射频干扰问题，设计者有时不得不在塑料外壳上镀金，为了使之有效，镀金要将缝隙全部镀上以保证结合面的传导连续性(图4)。这就构成了一套新的静电放电接触点，设计者为了解决一个问题却又带来了新的问题。这的确是非常棘手的事情，通常设计者只有三种选择：重新设计以降低设备对镀金的需要；重新对设备进行镀金，避免产生放电；特别仔细地使屏蔽物的缝隙闭合。
医疗设备电子学通常会碰到与其它电子设备学相同的一些电磁干扰问题，但有些问题相对于医疗行业而言是很特殊的。文中提到的一些电磁干扰问题有些已经存在了几十年，有些是近期才出现而且日后会更加常见。这些问题对于设计医疗设备是非常重要的，设计者们如果能在工作中避免出现这些问题就将会避免更多的令人头痛的事情。
来源:《世界医疗器械》
出版日期：2006年1月
