用于能量计量测试的浪涌发生器设计方案

IEC 60601-1:2006规定，连接到病人的医疗设备必须抗除颤（即，该医疗设备可以与除颤器同时和病人连接，可抵抗除颤器工作时释放的高能量而不被损坏）。

IEC 60601-1 包含了对医疗设备的安全通用要求。多年来，这些要求已经被加以改进而更具包容性。浪涌测试在很多年前就已经被纳入IEC 60601-1标准，浪涌测试旨在确保在对病人施加除颤脉冲后，连接到病人的所有医疗设备仍能正常工作。



IEC 60601-2006提出了能量计量测试的要求，目的是确保加到病人的除颤脉冲能量被连接到病人的医疗设备所消耗的部分不会超过除颤脉冲总能量的10％。总的来讲，能量计算测试曾出现在IEC 60601-2-49中，现在已经被添加到IEC 60601-1-2006版。在这两个标准中，使用的都是5-kV电容，但许多其它零部件的容值不同。图1所示为共模和差模测试中所使用的电路。这些都是IEC 60601-1 第2版中包含的测试，并且测试方法和之前相同。图2所示为能源计量测试所使用的电路，这是新增的测试。



图1. 用于抗除颤型应用部件的单个病人连接的测试电压电路

为了得到准确的测试结果，能量计量测试要求采用不同的测试方法以及对所用的浪涌发生器做修正。我们发现，用于共模和差模测试的老发生器可能已经不能够对能量计量测试做适当的评估。如果你想知道某个发生器是否可用，可以检查其前面板或后面板，查看其是否在40Ω0和100Ω电阻之间的节点配置有能量计量端口（见图2）。如果发生器配置有一个能量计量端口，那还必须检查在传送脉冲前后，端口和地之间的电阻值，确保其电阻值在100Ω标称值的5%以内。如果浪涌测试仪能满足这两个条件，那么可以将其用来做能量计量测试。

设计用于能量计量测试的浪涌发生器

IEC 60601-1第3版中规定：在进行能源计量检测时，操作人员要做两次测试：在被测设备与浪涌发生器断开的情况下测试一次；在被测设备(DUT)与浪涌发生器相连的情况下再测试一次。如果两次能量计量测试的结果都表明DUT所吸收的脉冲能量在脉冲总能量的10%以内，那么表明被测设备通过了能量计量测试。浪涌测试仪的设计人员和技术人员必须使用特殊的方法以确保让这项测试无误地进行。

IEC 60601规定了能量计量测试的线路图，但没有规定要得到什么波形。因此，浪涌测试仪制造商必须确保浪涌测试仪自身的准确性，否则产生波形不准确。图3对没有连接DUT情况下的能量计量测试输出结果进行了仿真，假定使用了真实的零部件。



图2：标准中新给出的电压模型，用于测试被传送的除颤能量。

由于IEC 60601标准规定了元器件的大小和偏差范围，因此要得到正确的发生器输出波形不需要ISO 17025认可校准。要得到正确的输出波形，必须对电感或排阻 (Resistor Bank)进行精心设计。

配置有一个100Ω排阻的浪涌测试仪，有可能它原本能通过ISO 17025校准，但在送出一个浪涌（尖脉冲）后可能已经不在公差范围内。因为功率计算公式中包含了电阻值，若要得到准确无误的结果，就要求电阻器的电阻值在有浪涌通过导致发热的情况下也不会发生变化。因为能量计量测试要测试两次，让电阻值在测试期间保持不变，这一点也很重要。

电阻器不管什么时候用在电路中时都会发热，电阻器发热会导致其电阻值下降。由此产生电阻值的变化被电阻器制造商定义为温度系数。由于受前面通过的浪涌的热效应的影响，电阻值会发生变化，从而改变功率测量结果。如果电阻器发热到一定程度使其电阻值在两次测试时出现大幅变动，更多的脉冲能量在第二次测试时被排阻所消耗，传送给DUT的能量减少。如果排阻在发热后阻值超出允许的偏差范围，那么这将使得被测设备的测试结果不能通过测试。

如果排阻的电阻值不对，那么排阻在传送脉冲时发热可能会导致不准确的能量计量数据。这是因为能量计算公式假定电阻值在测试过程中恒定不变的，然而事实并非如此。在实际使用过程中，额定排阻在有脉冲通过时，其电阻值会发生＜5％的变化，并且在连续加脉冲的情况下，其电阻值会发生5％以内的变化。由分配给浪涌测试仪的占空比来控制5％的脉冲-脉冲精度。为了确保能量计算的准确性，笔者建议在测试前后马上对100Ω排阻的阻值进行测量，并取其平均值用作能量计算公式中的R值。

IEC 60601标准指出，电感器的设计也很重要。如果电感在脉冲传送期间变饱和，那么输出波形也会受此影响。但如果电感饱和，这完整的360 J（焦耳）能量仍会被送出，但波形会发生变化。如果电感变饱和，那么输出波形的上升沿变得更陡峭和持续时间更短，这会使测试要求变得更加严格。

虽然60601-1特别提到正确电感器设计的重要性，但笔者发现，排阻的设计对传送给被测设备的脉冲具有更大的影响。如果使用不合适的排阻，那么送出的功率会比预期小得多。与电感饱和情况不同，这会使得测试更加苛刻，若使用大小不合适的排阻，其发热情况超出预期，会导致能量计量测试结果无效。通过下面的能量计算公式可以看出，发热排阻将对两次测试间的能量计算产生直接影响：



因为在校准过程中可能不会发现操作性问题，所以要检查发生器的波形。把浪涌发生器的输出波形与发生器的校准波形进行比较，若有任何异常，则应在测试仪投入使用之前对其进行深入检查。

发生器的开关技术在一定程度上也很重要。在将来自大容量电容的能量切换给被测设备时，所用开关必须让能量顺利通过并提供准确的波形。固态开关是完成这一任务的最佳途径，但那些额定值为5 kV的开关可能价格有点贵。开关技术正在迅速发展，可能在未来几年内就会出现适用于5000 - V浪涌测试仪的经济型固态开关。在此期间，我们有两类开关可以使用：机械式继电器和真空继电器。真空继电器是一类结构特殊的机械继电器，其接触点处在真空中，所以开关切换时产生的电弧最小。

笔者对发生器中所用的机械式继电器和真空继电器的性能做了评估，发现这两类继电器在5 kV测试电压下，两者的表现差不多。然而，经验表明，如果在400V左右的极低电压下，使用真空开关可以明显提高性能。若在此电压下进行测试，则使用真空开关可以改善发生器的波形。若希望在较低电压下取得更清楚的波形，则市面上有采用真空开关作为标准配置或备选配置的发生器。