按照國內(nèi)醫(yī)療器械注冊法規(guī)要求，**申報注冊的第Ⅲ類及第Ⅱ類醫(yī)用電氣設備，在注冊申報時應提交由醫(yī)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類及第Ⅱ類醫(yī)用電氣設備，在重新注冊時再提交符合電磁兼容標準要求的相應檢測報告^[1]。上述醫(yī)療器械檢測機構應具有原國家食品藥品監(jiān)督管理局認可的電磁兼容標準承檢資格。

電磁兼容標準實施以來，暴露出一些問題：國內(nèi)醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)在該方面技術儲備較少，缺乏相關基礎研究，導致生產(chǎn)樣機在醫(yī)療器械檢測機構檢測時，一次性通過電磁兼容檢測的可能性非常低，并且對醫(yī)療器械檢測機構的電磁兼容環(huán)境依賴度較高，從而造成后期整改工作量及時間成本均較高，耽誤產(chǎn)品上市時間。 

如何保證產(chǎn)品順利通過電磁兼容測試，已成為醫(yī)療器械產(chǎn)品在研發(fā)設計時需要重點考慮的問題。為解決上述問題，電磁兼容仿真分析技術成為一種有效的技術評估手段，該技術還廣泛應用于電子通信等領域。 

電磁兼容仿真基于計算電磁學發(fā)展而來，融合了電磁場理論、數(shù)值分析方法和計算機軟件等理論。電磁場的算法是仿真的依據(jù)，其理論基礎便是麥克斯韋方程。麥克斯韋方程組是電磁場理論*高度概括的數(shù)學模型。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域的一個難題。大部分的電磁兼容問題與結構有關，因此首先要**建模，要求模型包含設備中的各種細節(jié)，從而需要進行龐大的網(wǎng)格劃分來實現(xiàn)。但是過于龐大的網(wǎng)格，不但影響仿真效率，還經(jīng)常導致仿真出錯。另一個難題是電磁兼容仿真是一個大帶寬的仿真。在一個固定頻率下，計算電磁場所需的時間可能較短，但是要想獲得整個頻段的仿真數(shù)據(jù)，可能需要很長的時間^[2]。

醫(yī)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行技術評估，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 

阻抗描述了傳輸線和元件兩端電壓和電流的關系。在電路工作回路中，返回電流路徑感受到較大的阻抗時就會逃離其理論設計回流路徑，從而產(chǎn)生EMC問題。電容和電感的阻抗可用以下公式來表示：

注：式中ω為角頻率，ω=2πf，f為頻率，L為電感，C為電容。 

從上面兩個公式中可以看出，電容的阻抗隨著頻率的增加而降低，而電感的阻抗隨著頻率的增加而增加^[2]。

寄生參數(shù)是電磁兼容仿真技術中非常重要的概念，實際電路中的電感、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(shù)，而這些寄生參數(shù)的存在往往是電磁兼容問題產(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(shù)”。 

在實際電容的規(guī)格書中，經(jīng)常給出如圖1所示的阻抗頻率圖，表明電容的實際阻抗隨著頻率先減小再增大，這是因為電器存在高頻寄生參數(shù)。 

在高頻下，電容的兩個引腳及PCB布線均會產(chǎn)生相應的電容特性和電感特性。電容的實際阻抗值為：

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(jù)以上分析，在電磁仿真中，電容模型通常要體現(xiàn)其另外兩個寄生參數(shù)（L和ESR），如圖2所示，這樣的仿真才具有**性和實際意義。因此，研究阻抗和寄生參數(shù)對建立電磁兼容仿真模型和解決電磁問題有非常重要的意義。

系統(tǒng)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(xiàn)以較簡單的開關電源DC/DC BUCK電路的傳導發(fā)射為例，簡述仿真建模流程。BUCK 電路是所有開關電源拓撲結構的基礎，其他拓撲結構均可由其變換得出。 

仿真的要點在于精準并簡化，即重要的部分如干擾源、傳播路徑等的模型應盡量準確，非關鍵相關部分應簡化，如此可在保證準確度的同時提高建模和仿真的效率。仿真建模和簡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）直接用較簡易的方波代替，將控制電路簡化；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，應重點建模。

電磁兼容仿真往往是基于某一個電路仿真平臺進行級聯(lián)，推薦的平臺有Saber、Matlab等。圖3電路中MOSFET-Q1和Q2為俗稱的“功率管”或“開關管”，這是因為BUCK電路中的主要電流分別流經(jīng)了這兩個MOSFET，開關電源的主要功耗包含了此部分。 

實際電路中，Q1和Q2交替開關，在各自開關瞬間，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，缺點是未必包括所需型號規(guī)格，且未必準確；（2）從 MOSFET廠家官網(wǎng)獲取相應模型，較為準確，缺點是未必能找到所需模型；（3）自建模型，根據(jù)軟件平臺模型模板，查找MOSFET元器件的Datasheet，找到如圖5中的C_gs、C_gd、L_g、L_s等寄生參數(shù)的準確數(shù)值。

建模的準確性和仿真效率往往成反比，實際中可根據(jù)仿真預期目的決定采用哪種方式建模，有時使用簡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，承擔了開關電源中另一部分主要功耗。功率電感的建?？煽紤]以下方式：（1）使用較為簡單的高頻等效電路，如圖6所示，具體寄生參數(shù)值可通過查器件Datasheet及計算獲得；（2）使用矢網(wǎng)測得所對應電感的S參數(shù)，獲得pspice或spice模型，較為準確，但測試S參數(shù)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信息，同時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關電源中的功率變壓器。

輸出電容的高頻寄生參數(shù)模型可采取以下方式建模：（1）使用較為簡單的高頻等效電路，如圖2所示，具體寄生參數(shù)值可通過查器件 Datasheet 及計算獲得；（2）使用矢網(wǎng)測得所對應電感的S參數(shù)，獲得pspice或spice模型，較為準確， 但測試S參數(shù)需要對應的測試儀器、夾具；（3）若無上述測 試條件，可在某些大廠家的官方網(wǎng)站獲得電容S參數(shù)模型。

PCB單板作為硬件電路的載體，是不可缺少的部分，且PCB單板的布線含有豐富的寄生參數(shù)信息，很多電磁兼容問題的產(chǎn)生是由于PCB單板布局布線不當造成。針對BUCK電路，如圖8所示，灰色圈化電路部分的PCB布線模型應重點提取。

PCB參數(shù)模型的提取方式有多種，如Q3D、Siwave 等，此類軟件的優(yōu)點在于可以將PCB單板布線轉換為三維模型，并仿真獲得任意一塊銅皮兩個端口之間的S參數(shù)。PCB單板三維模型如圖9所示，使用時注意根據(jù)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)、科學和醫(yī)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^[3]，應使用GB/T 6113.102《無線電騷擾和抗擾度測量設備和測量方法第1-2部分：無線電騷擾和抗擾度測量設備、輔助 設備、傳導騷擾》中規(guī)定的人工電源網(wǎng)絡。 

人工電源網(wǎng)絡在電源的測量點兩端要提供一個射頻范圍 內(nèi)的規(guī)定阻抗，并將受試設備與電源線上的環(huán)境噪聲隔離。 

人工電源網(wǎng)絡有兩種基本類型，分別為用于耦合非對稱電壓的V型及用于耦合對稱電壓和不對稱電壓的△型。線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡（LISN）和V型人工電源網(wǎng)絡可交替使用。 

在仿真建模過程中，根據(jù)實際使用的人工電源網(wǎng)絡建模，人工電源網(wǎng)路的實際電路參照GB/T 6113.102標準附錄A中的元器件數(shù)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灰色仿真曲線可以看出，在m1、m3、m4點處干擾輻值均較高。采用相關優(yōu)化措施，在仿真電路中可直接修改相關差模電容、共模電容等參數(shù)，優(yōu)化后仿真結果如圖10中黑色部分。 

以上以較簡單的開關電源DC/DC BUCK路的傳導發(fā)射仿真為例，著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險，找到相關整改措施；建模仿真數(shù)據(jù)還可通過和實測數(shù)據(jù)進行對比、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。

電磁兼容仿真不僅可使工程問題再現(xiàn)，還可對電磁兼容性能進行風險評估、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(jié)省了大量的時間和成本，*后亦可將整改方案應用到實際樣機中。

【參考文獻】

［1］國家食品藥品監(jiān)督管理局.國家食品藥品監(jiān)督管理局辦公室關于YY 0505-2012醫(yī)療器械行業(yè)標準實施有關工作要求的通知[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(jiān)督管理局. YY 0505-2012醫(yī)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.