業(yè)務(wù)部
聯(lián)系人：陳平
聯(lián)系電話(huà)：0769-23131676
傳真號碼：0769-23131096
移動(dòng)電話(huà)：15989633801（微信同號）
Email：ZS1717@163.com
QQ：782352024
地址：東莞市莞城街道東城路莞城段33號405室
公司網(wǎng)址：http://ruituo888.com
醫療器械電磁兼容性能的仿真建模及仿真分析方法
〔關(guān)鍵詞〕醫療器械；電磁兼容；建模
〔中圖分類(lèi)號〕TJ760.2
〔文獻標識碼〕A
〔文章編號〕1002-2376（2019）17-0029-04
按照國內醫療器械注冊法規要求，**申報注冊的第Ⅲ類(lèi)及第Ⅱ類(lèi)醫用電氣設備，在注冊申報時(shí)應提交由醫療器械檢測機構出具的符合電磁兼容標準要求的檢測報告。在此之前申請注冊并獲得受理的和已獲準注冊的第Ⅲ類(lèi)及第Ⅱ類(lèi)醫用電氣設備，在重新注冊時(shí)再提交符合電磁兼容標準要求的相應檢測報告[1]。上述醫療器械檢測機構應具有原國家食品藥品監督管理局認可的電磁兼容標準承檢資格。
電磁兼容標準實(shí)施以來(lái)，暴露出一些問(wèn)題：國內醫療器械生產(chǎn)企業(yè)在該方面技術(shù)儲備較少，缺乏相關(guān)基礎研究，導致生產(chǎn)樣機在醫療器械檢測機構檢測時(shí)，一次性通過(guò)電磁兼容檢測的可能性非常低，并且對醫療器械檢測機構的電磁兼容環(huán)境依賴(lài)度較高，從而造成后期整改工作量及時(shí)間成本均較高，耽誤產(chǎn)品上市時(shí)間。
如何保證產(chǎn)品順利通過(guò)電磁兼容測試，已成為醫療器械產(chǎn)品在研發(fā)設計時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，電磁兼容仿真分析技術(shù)成為一種有效的技術(shù)評估手段，該技術(shù)還廣泛應用于電子通信等領(lǐng)域。
1
電磁兼容仿真研究的現狀和困難
電磁兼容仿真基于計算電磁學(xué)發(fā)展而來(lái)，融合了電磁場(chǎng)理論、數值分析方法和計算機軟件等理論。電磁場(chǎng)的算法是仿真的依據，其理論基礎便是麥克斯韋方程。麥克斯韋方程組是電磁場(chǎng)理論*高度概括的數學(xué)模型。在電磁兼容三維仿真中用到的典型計算方法包括有限元法（FEM）、有限積分法（FIT）等。
電磁兼容仿真是仿真領(lǐng)域的一個(gè)難題。大部分的電磁兼容問(wèn)題與結構有關(guān)，因此首先要**建模，要求模型包含設備中的各種細節，從而需要進(jìn)行龐大的網(wǎng)格劃分來(lái)實(shí)現。但是過(guò)于龐大的網(wǎng)格，不但影響仿真效率，還經(jīng)常導致仿真出錯。另一個(gè)難題是電磁兼容仿真是一個(gè)大帶寬的仿真。在一個(gè)固定頻率下，計算電磁場(chǎng)所需的時(shí)間可能較短，但是要想獲得整個(gè)頻段的仿真數據，可能需要很長(cháng)的時(shí)間[2]。
2
電磁兼容仿真技術(shù)
醫療器械電磁兼容性能作為產(chǎn)品的基本性能指標，應如產(chǎn)品技術(shù)要求中其他性能指標一樣，在產(chǎn)品設計前期就應充分考慮并進(jìn)行技術(shù)評估，以下介紹電磁兼容的仿真分析和評估方法。
2.1?基本概念
2.1.1?阻抗
阻抗描述了傳輸線(xiàn)和元件兩端電壓和電流的關(guān)系。在電路工作回路中，返回電流路徑感受到較大的阻抗時(shí)就會(huì )逃離其理論設計回流路徑，從而產(chǎn)生EMC問(wèn)題。電容和電感的阻抗可用以下公式來(lái)表示：
注：式中ω為角頻率，ω=2πf，f為頻率，L為電感，C為電容。
從上面兩個(gè)公式中可以看出，電容的阻抗隨著(zhù)頻率的增加而降低，而電感的阻抗隨著(zhù)頻率的增加而增加[2]。
寄生參數是電磁兼容仿真技術(shù)中非常重要的概念，實(shí)際電路中的電感、電容、變壓器及PCB單板等元器件非理想器件，均存在一定的寄生參數，而這些寄生參數的存在往往是電磁兼容問(wèn)題產(chǎn)生的源頭，而電磁兼容設計難以量化的原因之一則為“難以量化的寄生參數”。
在實(shí)際電容的規格書(shū)中，經(jīng)常給出如圖1所示的阻抗頻率圖，表明電容的實(shí)際阻抗隨著(zhù)頻率先減小再增大，這是因為電器存在高頻寄生參數。
在高頻下，電容的兩個(gè)引腳及PCB布線(xiàn)均會(huì )產(chǎn)生相應的電容特性和電感特性。電容的實(shí)際阻抗值為：
注：式中Z為阻抗，R0為等效串聯(lián)電阻，f為頻率，L為等效串聯(lián)電感，C 為電容。
根據以上分析，在電磁仿真中，電容模型通常要體現其另外兩個(gè)寄生參數（L和ESR），如圖2所示，這樣的仿真才具有**性和實(shí)際意義。因此，研究阻抗和寄生參數對建立電磁兼容仿真模型和解決電磁問(wèn)題有非常重要的意義。
系統級的電磁兼容仿真往往是多模塊、全鏈路的仿真，為方便闡述，現以較簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電源DC/DC BUCK電路的傳導發(fā)射為例，簡(jiǎn)述仿真建模流程。BUCK 電路是所有開(kāi)關(guān)電源拓撲結構的基礎，其他拓撲結構均可由其變換得出。
仿真的要點(diǎn)在于精準并簡(jiǎn)化，即重要的部分如干擾源、傳播路徑等的模型應盡量準確，非關(guān)鍵相關(guān)部分應簡(jiǎn)化，如此可在保證準確度的同時(shí)提高建模和仿真的效率。仿真建模和簡(jiǎn)化模型均依靠對電路原理的理解和足夠的工 程經(jīng)驗。如圖3所示，將Q1和Q2的控制電路（脈沖發(fā)生電路）直接用較簡(jiǎn)易的方波代替，將控制電路簡(jiǎn)化；但電路中的Q1\Q2\L\C的模型是電磁干擾產(chǎn)生和傳導的主要途徑，不可忽略，應重點(diǎn)建模。
電磁兼容仿真往往是基于某一個(gè)電路仿真平臺進(jìn)行級聯(lián)，推薦的平臺有Saber、Matlab等。圖3電路中MOSFET-Q1和Q2為俗稱(chēng)的“功率管”或“開(kāi)關(guān)管”，這是因為BUCK電路中的主要電流分別流經(jīng)了這兩個(gè)MOSFET，開(kāi)關(guān)電源的主要功耗包含了此部分。
實(shí)際電路中，Q1和Q2交替開(kāi)關(guān)，在各自開(kāi)關(guān)瞬間，MOSFET Q1和Q2兩端電壓波形如圖4所示。圖4中的尖峰電壓攜帶有大量的高頻噪聲成分，是傳導輻射產(chǎn)生的源頭。經(jīng)以上分析可知，功率管的模型應盡量準確。
在Saber軟件平臺中自帶MOSFET模型，往往以其制造工藝為基礎，如圖5所示。因MOSFET廠(chǎng)家及型號多樣，可考慮從以下方式建立模型：（1）使用軟件平臺自帶模型，缺點(diǎn)是未必包括所需型號規格，且未必準確；（2）從 MOSFET廠(chǎng)家官網(wǎng)獲取相應模型，較為準確，缺點(diǎn)是未必能找到所需模型；（3）自建模型，根據軟件平臺模型模板，查找MOSFET元器件的Datasheet，找到如圖5中的Cgs、Cgd、Lg、Ls等寄生參數的準確數值。
建模的準確性和仿真效率往往成反比，實(shí)際中可根據仿真預期目的決定采用哪種方式建模，有時(shí)使用簡(jiǎn)單的模型也可達到預期效果。
BUCK電路中輸出電感L是功率電感，承擔了開(kāi)關(guān)電源中另一部分主要功耗。功率電感的建?？煽紤]以下方式：（1）使用較為簡(jiǎn)單的高頻等效電路，如圖6所示，具體寄生參數值可通過(guò)查器件Datasheet及計算獲得；（2）使用矢網(wǎng)測得所對應電感的S參數，獲得pspice或spice模型，較為準確，但測試S參數需要對應的測試儀器、夾具；（3）利用PExprt或 Maxwell建立較為準確的模型，如此可以考慮到電感的飽和效應、臨近效應等，模型中含線(xiàn)圈和磁芯的詳細信息，如圖7所示。由圖7可以看出，該模型還包含了豐富的空間電磁場(chǎng)信息，同時(shí)有利于分析具體電感器件的電磁輻射效應。值得注意的是，該方法同樣適用于大型開(kāi)關(guān)電源中的功率變壓器。
輸出電容的高頻寄生參數模型可采取以下方式建模：（1）使用較為簡(jiǎn)單的高頻等效電路，如圖2所示，具體寄生參數值可通過(guò)查器件 Datasheet 及計算獲得；（2）使用矢網(wǎng)測得所對應電感的S參數，獲得pspice或spice模型，較為準確， 但測試S參數需要對應的測試儀器、夾具；（3）若無(wú)上述測 試條件，可在某些大廠(chǎng)家的官方網(wǎng)站獲得電容S參數模型。
PCB單板作為硬件電路的載體，是不可缺少的部分，且PCB單板的布線(xiàn)含有豐富的寄生參數信息，很多電磁兼容問(wèn)題的產(chǎn)生是由于PCB單板布局布線(xiàn)不當造成。針對BUCK電路，如圖8所示，灰色圈化電路部分的PCB布線(xiàn)模型應重點(diǎn)提取。
PCB參數模型的提取方式有多種，如Q3D、Siwave 等，此類(lèi)軟件的優(yōu)點(diǎn)在于可以將PCB單板布線(xiàn)轉換為三維模型，并仿真獲得任意一塊銅皮兩個(gè)端口之間的S參數。PCB單板三維模型如圖9所示，使用時(shí)注意根據仿真頻率選擇不同的軟件平臺以提高PCB模型提取的準確程度。
按照GB 4824-2013《工業(yè)、科學(xué)和醫療（ISM）射頻設備騷擾特性、限值和測量方法》測量電源端子騷擾電壓時(shí)[3]，應使用GB/T 6113.102《無(wú)線(xiàn)電騷擾和抗擾度測量設備和測量方法第1-2部分：無(wú)線(xiàn)電騷擾和抗擾度測量設備、輔助 設備、傳導騷擾》中規定的人工電源網(wǎng)絡(luò )。
人工電源網(wǎng)絡(luò )在電源的測量點(diǎn)兩端要提供一個(gè)射頻范圍 內的規定阻抗，并將受試設備與電源線(xiàn)上的環(huán)境噪聲隔離。
人工電源網(wǎng)絡(luò )有兩種基本類(lèi)型，分別為用于耦合非對稱(chēng)電壓的V型及用于耦合對稱(chēng)電壓和不對稱(chēng)電壓的△型。線(xiàn)路阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )（LISN）和V型人工電源網(wǎng)絡(luò )可交替使用。
在仿真建模過(guò)程中，根據實(shí)際使用的人工電源網(wǎng)絡(luò )建模，人工電源網(wǎng)路的實(shí)際電路參照GB/T 6113.102標準附錄A中的元器件數值。
按照以上方式建立全鏈路的傳導發(fā)射仿真電路，傳導干擾仿真結果如圖10所示。
從圖10灰色仿真曲線(xiàn)可以看出，在m1、m3、m4點(diǎn)處干擾輻值均較高。采用相關(guān)優(yōu)化措施，在仿真電路中可直接修改相關(guān)差模電容、共模電容等參數，優(yōu)化后仿真結果如圖10中黑色部分。
以上以較簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電源DC/DC BUCK路的傳導發(fā)射仿真為例，著(zhù)重介紹了電磁兼容仿真分析方法*重要的步驟——建模。未經(jīng)驗證的電路仿真模型可定性分析電磁兼容性能，查看趨勢，分析電磁兼容超標風(fēng)險，找到相關(guān)整改措施；建模仿真數據還可通過(guò)和實(shí)測數據進(jìn)行對比、分析，以此優(yōu)化仿真模型，提高仿真模型的**度，并可積累相應的仿真模型電路庫。
3
總結
電磁兼容仿真不僅可使工程問(wèn)題再現，還可對電磁兼容性能進(jìn)行風(fēng)險評估、整改方案驗證，如果仿真達不到要求，可多次修改模型，與直接修改樣機、重新生產(chǎn)樣機相比，節省了大量的時(shí)間和成本，*后亦可將整改方案應用到實(shí)際樣機中。
【參考文獻】
［1］國家食品藥品監督管理局.國家食品藥品監督管理局辦公室關(guān)于YY 0505-2012醫療器械行業(yè)標準實(shí)施有關(guān)工作要求的通知[S/OL].[2012-12-19]. http://samr.cfda.gov.cn/WS01/CL0845/77426.html.
［2］Eric Bogation.信號完整性分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：74-87.
［3］國家食品藥品監督管理局. YY 0505-2012醫用電氣設備 第1-2部分：**通用要求并列標準：電磁兼容要求和試驗[S/OL].[2012-12-17].http://samr.cfda.gov.cn/WS01/CL0634/77060.html.
