電磁兼容測(cè)試中靜電放電整改方法解析

曾雪，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所 光機(jī)電室，北京 102629

引言

靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）其實(shí)是一種自然現(xiàn)象。兩種不同的材料相互摩擦?xí)r，由于介電強(qiáng)度不同，就會(huì)產(chǎn)生靜電電荷。當(dāng)其中一種材料上的靜電電荷積累到一定程度，在與另一個(gè)物體接觸時(shí)，就會(huì)通過(guò)這個(gè)物體到大地的阻抗而進(jìn)行放電。靜電放電在日常生活中會(huì)對(duì)電子設(shè)備的正常工作產(chǎn)生極大的干擾和損害，使設(shè)備不能正常工作，也給接觸這些電子設(shè)備的工作人員帶來(lái)困擾[1]。例如，潔凈手術(shù)室的空調(diào)氣流經(jīng)過(guò)層層過(guò)濾，凈化出口氣流是帶有靜電電荷的，手術(shù)室的潔凈度要求越高，靜電積聚可能越嚴(yán)重，對(duì)手術(shù)室中醫(yī)用電氣設(shè)備的抗干擾性能要求也更高。本文從靜電防護(hù)的原理入手，探討防護(hù)思路，結(jié)合實(shí)際整改案例進(jìn)行介紹。

1 靜電放電的干擾機(jī)理

在GB/T4365-2003《電工術(shù)語(yǔ) 電磁兼容》中，靜電放電的定義為：“具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移”[2]。針對(duì)電氣和電子設(shè)備，依據(jù)我國(guó)目前現(xiàn)行有效的GB/T 17626.2-2018《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》[3]（等同采用IEC 61000-4-2:2008），通過(guò)建立通用和可重現(xiàn)的基準(zhǔn)，來(lái)評(píng)估設(shè)備受到靜電放電干擾時(shí)能否保持基本性能。在實(shí)際測(cè)試中，采用靜電放電發(fā)生器，模擬放電現(xiàn)象。靜電放電發(fā)生器的原理簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 靜電放電發(fā)生器放電原理圖

其中，在考慮了人的身高體型差異、與接地平面或地點(diǎn)位物體的接近程度、媒質(zhì)介電常數(shù)等因素之后，人體電容的典型值為60～300 pF，而150 pF 為常用的平均值[4]。接地電阻代表了從人體（手部接觸端）到接收設(shè)備靜電放電的最壞情況下的阻抗，取值為330 Ω[4]。

為了模擬被測(cè)設(shè)備使用過(guò)程中有可能遇到的靜電現(xiàn)象，GB/T 17626.2-2018 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的靜電放電測(cè)試，分為直接放電和間接放電兩種方式。間接放電的原理是在一定空間范圍內(nèi)產(chǎn)生指定強(qiáng)度的靜電場(chǎng)，考察被測(cè)設(shè)備在該靜電場(chǎng)中是否受到干擾。直接放電可以分為接觸放電和空氣放電，通過(guò)將靜電電荷直接施加到設(shè)備表面的方式，考察被測(cè)設(shè)備是否受到干擾。

2 靜電放電對(duì)被測(cè)設(shè)備的影響

根據(jù)靜電放電對(duì)設(shè)備造成后果的嚴(yán)重程度，一般可分為兩種情況：一是永久性損壞，通過(guò)直接放電，引起設(shè)備中半導(dǎo)體器件的損壞，造成設(shè)備的永久性失效，例如由于靜電放電電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效，或者由于靜電放電感應(yīng)出高的電壓導(dǎo)致絕緣擊穿[5]；二是由直接放電或間接放電而引起電磁場(chǎng)變化，造成設(shè)備某一模塊被干擾，設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)作，不能保持基本性能，例如儀器表面按鍵失靈等。

為了找到整改思路，需要從原理角度分析靜電放電對(duì)設(shè)備的干擾。一般來(lái)說(shuō)，這種干擾分為傳導(dǎo)和輻射兩種途徑。

（1）傳導(dǎo)方式是一種直接的電荷泄放方式。出現(xiàn)這種情況時(shí)，設(shè)備外殼放電點(diǎn)與設(shè)備內(nèi)部形成了一條完整的放電路徑，靜電放電電流直接進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，流入信號(hào)端，造成電路功能異常。由于產(chǎn)品內(nèi)部本身存在設(shè)計(jì)缺陷，恰好為靜電放電產(chǎn)生的電荷提供了一條泄放至內(nèi)部電路的路徑，并且這條路徑的阻抗較小。當(dāng)上述情況同時(shí)存在時(shí)，通過(guò)泄放路徑進(jìn)入內(nèi)部電路和關(guān)鍵元器件的電流很大，有可能會(huì)造成元器件損壞。

（2）輻射方式是一種較為間接的干擾方式。由于靜電放電本身包含高頻成分的尖峰電流，在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的電流變化，能夠在附近電路的各個(gè)信號(hào)環(huán)路中感應(yīng)出干擾電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)被測(cè)設(shè)備存在設(shè)計(jì)缺陷時(shí)，在某個(gè)環(huán)路中產(chǎn)生的干擾電動(dòng)勢(shì)很可能超過(guò)了邏輯電路的閾值電平，引起誤觸發(fā)，導(dǎo)致電路誤動(dòng)作。由于輻射的大小取決于與放電點(diǎn)的距離，如果放電點(diǎn)離被測(cè)設(shè)備核心元器件較近，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)很大，可能對(duì)設(shè)備造成影響。

一般情況下，傳導(dǎo)方式的靜電干擾對(duì)設(shè)備的影響更猛烈，容易造成設(shè)備損壞，而輻射方式的靜電干擾容易造成設(shè)備誤動(dòng)作。

3 靜電放電的整改方向

從靜電電荷產(chǎn)生和對(duì)設(shè)備造成影響的角度考慮，必須從源頭入手，控制電荷積聚，一旦有過(guò)量電荷就及時(shí)泄放，防止危險(xiǎn)靜電源的形成，另外對(duì)于無(wú)法泄放的靜電電荷，要將其隔離，阻止干擾到關(guān)鍵電路。根據(jù)實(shí)際測(cè)試中設(shè)備整改的情況，將整改分為外部防護(hù)和內(nèi)部電路防護(hù)兩個(gè)方向。

3.1 外部防護(hù)

從GB/T 17626.2-2018 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的放電點(diǎn)進(jìn)行考慮，一般設(shè)備外部防護(hù)的范圍包括外殼、面板、顯示屏、外部電纜等。

3.1.1 外殼

外殼分為金屬材質(zhì)和非金屬材質(zhì)兩種，對(duì)于靜電防護(hù)有著不同的處理思路。

（1）非金屬外殼的優(yōu)點(diǎn)是，外殼絕緣，一般情況下不會(huì)有電荷放出。缺點(diǎn)是如果設(shè)備內(nèi)部布局過(guò)于靠近外殼，或者外殼太薄，靜電有可能對(duì)內(nèi)部電路造成影響。對(duì)于采用非金屬外殼的設(shè)備，可以著重對(duì)孔隙部分加強(qiáng)絕緣，不讓電荷放出并通過(guò)孔隙流入設(shè)備內(nèi)部。也可將外殼噴涂導(dǎo)電漆等材料，然后再將裸露的金屬端子等可直接接觸到的金屬部位接地。或者在外殼中放置一個(gè)金屬的屏蔽體，這種設(shè)計(jì)的好處是可以屏蔽來(lái)自外界的靜電干擾，同時(shí)在操作者對(duì)外殼的孔隙放電時(shí)，給靜電電荷提供一個(gè)泄放通道，防止對(duì)內(nèi)部電路造成損壞。

（2）金屬外殼的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)表面進(jìn)行接觸放電時(shí)，大部分電荷可以直接由接地端子流走。但由于金屬外殼在靜電放電時(shí)可能對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生傳導(dǎo)耦合，從而干擾正常工作。對(duì)金屬外殼而言，外殼各部分之間的搭接非常重要。若機(jī)箱兩部分之間的搭接阻抗較高，當(dāng)靜電放電流過(guò)搭接點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓降會(huì)驅(qū)動(dòng)干擾電流流向內(nèi)部電路，影響電路的正常工作。為避免這個(gè)電壓降或者減小其產(chǎn)生的危害，一般盡量使外殼保持完整和導(dǎo)電連續(xù)，盡量減少搭接阻抗。

3.1.2 面板、顯示屏

針對(duì)面板，主要考慮的是將電荷隔離在外部。面板盡量采用耐高壓的薄膜絕緣材料制作，同時(shí)注意避免縫隙，就可有效防止靜電電荷通過(guò)面板或按鍵進(jìn)入內(nèi)部電路產(chǎn)生干擾。顯示屏應(yīng)考慮采用透明屏蔽材料進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)確保屏蔽材料與設(shè)備外殼接地點(diǎn)之間有良好的電接觸，可以及時(shí)泄放靜電電荷。

3.1.3 外部電纜

外部電纜主要包括電源線、信號(hào)線等操作者可觸摸到的線纜。整改思路是更換屏蔽性能更好的線纜，或者采用鐵氧體磁環(huán)纏繞的方式，對(duì)靜電放電的感應(yīng)電流進(jìn)行屏蔽和消耗。最理想的方式是，電纜采用屏蔽線，并且屏蔽層與外殼的大地連接，建立電荷對(duì)地泄放路徑。

3.2 內(nèi)部電路防護(hù)

對(duì)于內(nèi)部電路，防護(hù)的主要思路如下：首先確定電流泄放路徑，檢查此條路徑是否通暢，確保積聚電荷及時(shí)泄放。其次確定泄放途徑附近是否有重要的信號(hào)線，處理方法是改變走線方式，遠(yuǎn)離放電路徑，或者在信號(hào)線上增加磁環(huán)，盡量屏蔽靜電泄放電流對(duì)信號(hào)線的影響。然后確定泄放途徑附近是否有敏感電路，如復(fù)位電路、控制電路、音視頻電路等，盡量用屏蔽材料加以隔離。

除此之外，可以直接選用一些典型的抗靜電干擾元器件，對(duì)電路進(jìn)行防護(hù)。對(duì)于直接傳導(dǎo)的靜電放電干擾，可以嘗試在I/O 接口處串聯(lián)電阻或并聯(lián)二極管至正負(fù)電源端。另外，在I/O 信號(hào)線進(jìn)入設(shè)備外殼處安裝一個(gè)對(duì)地的電容，能夠?qū)⒔涌陔娎|上感應(yīng)的靜電放電電流分流到機(jī)箱上，避免流入電路，造成干擾。后文整改實(shí)例中采用的就是這種方式。

瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）也能夠?qū)o電放電起到有效的保護(hù)作用。不過(guò)TVS 只能抑制瞬態(tài)干擾的電壓，不能濾除高頻干擾成分，電路中一般配合增加與TVS 并聯(lián)的高頻旁路電容，用于抑制高頻干擾。

此外，PCB 板的走線對(duì)于靜電防護(hù)也非常重要，這些走線相當(dāng)于一根根互相耦合的天線。為了把這些天線的耦合降低，PCB 板上的線長(zhǎng)要求盡可能的短，包圍的環(huán)路面積盡可能小[6]。

4 整改實(shí)例

某品牌體外診斷設(shè)備，外殼為絕緣材質(zhì)。靜電放電測(cè)試的現(xiàn)象為：對(duì)顯示屏、面板按鍵及外殼縫隙處進(jìn)行空氣放電±8 kV，機(jī)器出現(xiàn)異常，按鍵失效，顯示屏顯示異常，無(wú)法維持基本性能。

4.1 分析一

針對(duì)顯示屏，首先考慮電荷在此處積聚不能及時(shí)泄放而造成干擾。通過(guò)檢查，顯示屏已經(jīng)做了接地處理，但接地線很長(zhǎng)。其次，顯示屏外部透明絕緣膜較薄，防護(hù)效果不好。

整改方法：在顯示屏與外殼之間增加一塊透明的絕緣材料（材質(zhì)為丙烯酸玻璃）。同時(shí)，縮短顯示屏接地線的長(zhǎng)度。

整改效果：對(duì)顯示屏進(jìn)行空氣放電±8 kV 復(fù)測(cè)，顯示屏工作狀況有改善。

4.2 分析二

觀察顯示屏及其內(nèi)部控制電路，發(fā)現(xiàn)顯示屏和控制電路之間的信號(hào)線是一根較長(zhǎng)的排線。排線在機(jī)器內(nèi)部未經(jīng)處理，與其他電路距離很近。

整改方法：將排線折疊并固定在絕緣外殼處，遠(yuǎn)離其他電路模塊及外殼縫隙等（圖2）。整改效果：對(duì)顯示屏進(jìn)行空氣放電±8 kV 復(fù)測(cè)，顯示屏工作正常。

圖2 信號(hào)線處理示意圖

4.3 分析三

考慮電荷從外殼縫隙處進(jìn)入內(nèi)部電路，并造成按鍵失效。

整改方法：使用絕緣材料，將外殼縫隙處與其臨近內(nèi)部電路之間互相隔離。如圖3 紅色箭頭指示，使用材料為絕緣泡沫襯墊。

圖3 外殼縫隙處理示意圖

整改效果：對(duì)外殼縫隙處進(jìn)行空氣放電±8 kV 復(fù)測(cè)，與整改前相比，有一定改善。

4.4 分析四

對(duì)按鍵進(jìn)行靜電放電時(shí)，按鍵完全失效，分析可能是靜電電流干擾到了按鍵及顯示部分控制電路，需要將電流分流泄放至大地，避免其對(duì)設(shè)備的干擾。

整改方法：嘗試在I/O 接口和地之間并聯(lián)二極管，并安裝一個(gè)對(duì)地電容，將I/O 接口處電纜感應(yīng)的靜電放電電流分流到大地上，避免流入電路造成干擾。具體情況，見(jiàn)圖4～5；圖5 中，黃色部分為新增的元器件。

圖4 按鍵及顯示部分電路

圖5 按鍵部分整改示意圖

整改效果：對(duì)按鍵部位進(jìn)行空氣放電±8 kV 復(fù)測(cè)，機(jī)器正常運(yùn)行，不再有異常。

5 討論

本文從靜電放電對(duì)電氣和電子設(shè)備干擾的原理入手，分析了防護(hù)原則和思路。按照設(shè)備放電點(diǎn)位置進(jìn)行分類，對(duì)各部位整改的方法進(jìn)行了梳理，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，為實(shí)際測(cè)試中解決靜電放電問(wèn)題提供了參考。隨著醫(yī)療器械的發(fā)展，對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜的設(shè)備，在研發(fā)階段就將靜電風(fēng)險(xiǎn)納入考慮，使用抗靜電干擾元器件對(duì)各功能模塊進(jìn)行防護(hù)，將是未來(lái)醫(yī)用電氣設(shè)備的重要設(shè)計(jì)思路。