医疗监护仪电磁兼容静电放电ESD解决方案

医疗监护仪电磁兼容ESD解决方案
问题描述
客户是的样机是医疗监护仪器,可以对病人的生命体征,血压血氧进行监控。按照医疗的标准,该样机的抗静电能力要达到接触±6KV,空气±8KV。实际测试的时候,发现在对屏进行空气±8KV的静电测试的时候,屏出现黑屏。需手动重新唤醒屏,屏才能正常工作,对电源端口进行±8KV测试的时候,样机出现一样的现象。这就不符合IEC61000-4-2B类的标准。
整改过程
进行摸底测试,发现只要是空气放电从屏的缝隙中放进去,屏就必定会黑屏,由于客户急于要送检,没有时间改版;所以我们整改的主要思路还是从结构上去规避。检查样机的机壳发现,发现是屏与壳之间的缝隙太大,导致静电很容易就通过缝隙到触摸屏的排线上,再耦合到显示屏的信号线上;于是我们就用热塑胶将此缝隙封闭,用静电枪去放电的时候,发现放不进电,屏无明显异常。
但是当静电枪移到屏上的时候,哪怕不放电,在枪头集聚的静电所产生的瞬态磁场,已经会使得屏幕与MCU之间的通信中断。产生这种现象的主要原因是,屏与MCU之间的阻抗不匹配,使得信号衰减得很严重,从而抗静电的能力就很弱。因此,我们整改的思路是调整屏与MCU之间的阻抗,首先我们想到的器件是阿赛姆共模滤波器(型号:CMF2010UD900MFR)这款共模对差模信号的影响很小,满足MIPI信号的传输要求,但是由于客户四层板,并且之前没有留好位置不好加,所以就想着增大静电泄放回路的阻抗,使得静电经过PCB泄放时的速度更慢。于是在电源线上绕磁环,进行空气8KV测试的时候,样机没有明显异常。
整改心得
加快静电泄放的时候,要注意泄放路径中部包括敏感信号。减慢静电泄放的快慢的时候,是静电不可避免的要经过敏感信号,减慢静电泄放的时间,就能降低可能产生的感应电动势,从而使得敏感信号受的干扰减小。

——本案例来源于深圳市阿赛姆科技有限公司(https://emc.asim-emc.com/)

EMC技能:整改小技巧
1150kHz-1MHz,以差模为主,1MHz-5MHz,差模和共模共同起作用,5MHz以后基本上是共模。差模干扰的分容性藕合和感性藕合。一般1MHz以上的干扰是共模,低频段是差摸干扰。用一个电阻串个电容后再并到Y电容的引脚上,用示波器测电阻两引脚的电压可以估测共模干扰。
2、保险过后加差模电感或电阻。
3、小功率电源可采用PI型滤波器处理(建议靠近变压器的电解电容可选用较大些)
4、前端的π型EMI零件中差模电感只负责低频EMI,体积别选太大(DR8太大,能用电阻型式或DR6更好)否则幅射不好过,必要时可串磁珠,因为高频会直接飞到前端不会跟着线走。5、传导冷机时在0.15MHz-1MHz超标,热机时就有7dB余量。主要原因是初级BULk电容DF值过大造成的,冷机时ESR比较大,热机时ESR比较小,开关电流在ESR上形成开关电压,它会压在一个电流LN线间流动,这就是差模干扰。解决办法是用ESR低的电解电容或者在两个电解电容之间加一个差模电感。
6、测试150kHz总超标的解决方案:加大X电容看一下能不能下来,如果下来了说明是差模干扰。如果没有太大作用那么是共模干扰,或者把电源线在一个大磁环上绕几圈, 下来了说明是共模干扰。如果干扰曲线后面很好,就减小Y电容,看一下布板是否有问题,或者就在前面加磁环。
7、可以加大PFC输入部分的单绕组电感的电感量。
8PWM线路中的元件将主频调到60kHz左右。
9、用一块铜皮紧贴在变压器磁芯上。
10、共模电感的两边感量不对称,有一边匝数少一匝也可引起传导150kHz-3MHz超标。11、一般传导的产生有两个主要的点:200kHz20MHz左右,这几个点也体现了电路的性能;200kHz左右主要是漏感产生的尖刺;20MHz左右主要是电路开关的噪声。处理不好变压器会增加大量的辐射,加屏蔽都没用,辐射过不了。
12、将输入BUCk电容改为低内阻的电容。
13、对于无Y-CAP电源,绕制变压器时先绕初级,再绕辅助绕组并将辅助绕组密绕靠一边,后绕次级。
14、将共模电感上并联一个几k到几十k电阻。
15、将共模电感用铜箔屏蔽后接到大电容的地。
16、在PCB设计时应将共模电感和变压器隔开一点以免互相干扰。
17、保险套磁珠。
18、三线输入的将两根进线接地的Y电容容量从2.2nF减小到471
19、对于有两级滤波的可将后级0.22uFX电容去掉(有时前后X电容会引起震荡)
20、对于π型滤波电路有一个BUCk电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150kHz-2MHzL通道有干扰,改良方法是将此电容用铜泊包起来屏蔽接到地,或者用一块小的PCB将此电容与变压器和PCB隔开。或者将此电容立起来, 也可以用一个小电容代替。
21、对于π型滤波电路有一个BUCk电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150kHz-2MHzL通道有干扰,改良方法是将此电容用一个1uF/400V或者说0.1uF/400V电容代替, 将另外一个电容加大。
22、将共模电感前加一个小的几百uH差模电感。
23、将开关管和散热器用一段铜箔包绕起来,并且铜箔两端短接在一起,再用一根铜线连接到地。
24、将共模电感用一块铜皮包起来再连接到地。
25、将开关管用金属套起来连接到地。
26、加大X2电容只能解决150kHz左右的频段,不能解决20MHz以上的频段,只有在电源输入加以一级镍锌铁氧体黑色磁环,电感量约50uH-1mH
27、在输入端加大X电容。
28、加大输入端共模电感。
29、将辅助绕组供电二极管反接到地。
30、将辅助绕组供电滤波电容改用瘦长型电解电容或者加大容量。
31、加大输入端滤波电容。
32150kHz-300kHz20MHz-30MHz这两处传导都不过,可在共模电路前加一个差模电路。也可以看看接地是否有问题,该接地的地方一定要加强接牢,主板上的地线一定要理顺,不同的地线之间走线一定要顺畅不要互相交错的。
33、在整流桥上并电容,当考虑共模成分时,应该邻角并电容,当考虑差模成分时,应该对角并电容。
34、加大输入端差模电感。

2、产品电磁兼容骚扰源有:
1设备开关电源的开关回路:骚扰源主频几十kHz到百余kHz,高次谐波可延伸到数十MHz
2设备直流电源的整流回路:工频线性电源工频整流噪声频率上限可延伸到数百kHz;开关电源高频整流噪声频率上限可延伸到数十MHz
3电动设备直流电机的电刷噪声:噪声频率上限可延伸到数百MHz
4电动设备交流电机的运行噪声:高次谐波可延伸到数十MHz
5变频调速电路的骚扰发射:开关调速回路骚扰源频率从几十kHz到几十MHz
6设备运行状态切换的开关噪声:由机械或电子开关动作产生的噪声频率上限可延伸到数百MHz
7智能控制设备的晶振及数字电路电磁骚扰:骚扰源主频几十kHz到几十MHz,高次谐波可延伸到数百MHz
8微波设备的微波泄漏:骚扰源主频数GHz
9电磁感应加热设备的电磁骚扰发射:骚扰源主频几十kHz,高次谐波可延伸到数十MHz
10电视电声接收设备的高频调谐回路的本振及其谐波:骚扰源主频数十MHz到数百MHz,高次谐波可延伸到数GHz
11信息技术设备及各类自动控制设备的数字处理电路:骚扰源主频数十MHz到数百MHz(经内部倍频主频可达数GHz),高次谐波可延伸到十几GHz

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