手持式医疗设备电源的纹波和噪声的分析和测量

作者/ 孙丽萍1 蔡光跃2 周银锦3 汪进进4

1.上海健康医学院(上海 201318) 2.上海电子信息职业技术学院(上海 201411)

3.深圳市江波龙电子有限公司(广东 深圳 518057)4.深圳市鼎阳科技有限公司(广东 深圳 518101)

摘要：本文将传统的测量电源PARD的方法改进，用于手持式医疗设备电源PARD的测量，以医用平板电脑电源为特例。测量时不做20MHz带宽限制，选择500MHz带宽做初步测量，再根据实际情况选择合适的带宽。在测量中，本文弃用示波器探头，改用1:1衰减50欧姆的同轴电缆测试。对比实验验证结果表明，改进后的测量方法能正确反映手持式医疗设备电源输出电压PARD的真实状况，为抑制电源特别是特殊用途电源PARD提供了思路。

引言

直流电源输出的交流杂散称为纹波和噪声，或称作周期和随机偏差(PARD，Periodic And Random Deviation)。纹波指输出中的交流周期信号，在频域观察时，纹波显示为杂散响应。与周期性纹波不同，噪声是随机的，噪声分布在很宽的频谱上，用频谱分析仪查看时，显示为基线升高。由于纹波和噪声通常混合在一起不容易区分开，在本文中用PARD表示这种组合效果。PARD指标是电源质量评价的一项重要内容，“干净”的电源是电路正常工作的前提，也是器件中各项参数的重要保障，尤其医疗和健康领域的电子产品，比如手持式医疗设备。本文以医用平板电脑为分析研究的特例，医用平板电脑目前已是医务人员重要的医疗辅助工具，如记录病例，实时记录病人病情，实时远程诊断等。因此，其电源PARD要求严格，既不能对其他医疗设备造成影响，也不能因为自身的PARD使其工作不稳定造成重要的医疗数据丢失。因此，准确的测量医用平板电脑电源的PARD，为电源设计和调整打下基础，是每个医疗器械行业电源工程师的重要工作。本文通过严密的实验，对比传统的电源PARD测量方法，提出并实验验证改进的方法和步骤，结果证明其有效性。

1 传统电源PARD测量方法

电源PARD测量主要有两种工具，数字存储示波器和交流毫伏表。交流毫伏表能方便地测出电源PARD的有效值，但有效值和交流毫伏表的频响有很大关系^[1]，不同的频率会有不同的测试值，因此，选用合适频响的交流毫伏表是准确测量的关键。交流毫伏表不能直观地观察电源PARD波形，因此，绝大多数电源PARD的测量都采用数字存储示波器。

(1)选用垂直档位比较小的数字存储示波器。由于PARD一般的测量数值都是几毫伏/毫安到几十毫伏/毫安不等，如果数字存储示波器本身的垂直档位太大，则测出的PARD值粗略而不准确，所以模拟示波器就不适合测量PARD。根据测试经验，垂直档位最好有1mV/div或更小，方便精确测量PARD。

(2)慎重选择直流电子负载。在电子负载大规模应用之前，一般都选用精度比较高的滑动变阻器来控制调节电源电流输出。但滑动变阻器无法调整精度，本身也有热噪声的问题，现在一般都选用直流电子负载。要注意的问题主要是直流电子负载自身的PARD要足够小，不能影响电源PARD的测量。当然，如果是测量固定负载的电源PARD，可以不用直流电子负载。

(3)选用存储深度比较大的数字存储示波器。PARD波形一般都比较杂乱无序，需要看到更多PARD波形细节，就要求足够大的存储深度。因此为了精确测量，一般选用2Mega点以上的存储深度。

(4)选用100MHz带宽以上的示波器，并打开20MHz带宽限制。传统的开关电源开关频率在几十Hz到几MHz之间，其工作中产生的PARD一般都小于20MHz，20MHz以上可以忽略不计。因此，需要打开20MHz带宽限制防止偶发高频信号串扰。根据示波器带宽的定义，20MHz带宽的示波器实际测试幅度只为输入的70.7%，因此，必须选用5~10倍最高信号频率带宽的示波器。

(5)弃用示波器探头，选用50欧姆的同轴电缆或双绞线。示波器探头地线和探针之间容易耦合进环路干扰噪声，使PARD出现测试误差。50欧姆的同轴电缆或双绞线适合各种复杂环境测试，让外界干扰降到最小。有的数字存储示波器设有标准的50欧姆输入阻抗，这一设置更方便测量，不过需要50欧姆输入阻抗有比较高的功率。

(6)数字存储示波器本身应该良好接地。良好接地一是防止电源地线的串扰对测量造成影响，减小误差;二是为了示波器和实验者的安全。

(7)使用数字存储示波器的交流耦合。测量PARD，不需要得到直流信号的细节，更多关注的是PARD的幅度，波形等，因此，用交流耦合直接把直流信号成分滤除。如果直流输出较小，在几伏以下，又需要直观的看到直流成分，可以使用直流耦合，得到全波形。测量的结果为直流成分加上PARD峰值。

以上七条，适用于市场上多数电源的PARD测量。在实际