IEC60601-1-2：2014 静电放电抗扰度测试变化及对策

赵常昊 重庆金山科技(集团)有限公司 （重庆 401120）

IEC60601-1-2：2014 静电放电抗扰度测试变化及对策

赵常昊 重庆金山科技(集团)有限公司 （重庆 401120）

医疗电气设备的静电放电抗扰度测试又有了新的变化，试验等级进一步提升，对医疗电气设备的设计提出了更高的要求。本文结合多年的整改经验，总结出了一些实用的设计经验。

静电放电 屏蔽 接地 隔离

0.引言

2014年国际电工委员会（IEC）发布了医疗电气设备第四版EMC标准IEC 60601-1-2：2014。相对于第三版，第四版发生了一些变化，本文主要对静电放电抗扰度测试的变化做分析，并提出整改对策及意见。

1.静电放电抗扰度测试变化

静电放电抗扰度（ESD）测试属于抗干扰（EMS）测试中的一部分，第四版将医疗设备的端口进行了分类，在外壳端口、病人耦合端口和信号端口都需要进行静电放电抗扰度测试。医疗电气设备运行时需要保证操作者及患者的人身安全，还有在一些干燥地区的实地调查，第四版对ESD测试等级做了提高：接触放电等级从±6KV提高到±8KV，空气放电等级从±8KV提高到±15KV，这个变化对一些医疗电气设备特别是对ESD敏感的设备影响很大，如何提高产品的静电抗扰度和质量也被提上了日程。

2.静电放电干扰原理

图1. 标准ESD发生器的简化框图

图2. 接触放电电流波形

2.1 标准ESD发生器原理框图

国际标准IEC61000-4-2：2008对标准ESD发生器的原理框图进行了定义，如图（1）所示。

图1中Cd是ESD发生器和环境之间的分布电容，Cs+Cd是储能电容典型值为150pF，放电电阻Rd为330Ω，充电电阻Rc未提要求。

2.2 接触放电电流波形

标准IEC61000-4-2：2008列出了标准静电放电发生器在4KV理想状况下的接触放电电流波形，如图（2）所示。

图2中Ip表示电流峰值，计时的纵轴在脉冲上升沿的10%作为计时起点到90%为上升时间。静电放电测试试验包括接触放电和空气放电，这两种试验都会在待测件附近产生感应电场，对待测件的影响也应考虑。

3.静电放电抗扰度整改对策

静电放电抗扰度整改对策一般从下面几个方面着手，即屏蔽、隔离、接地、提供能量泄放路径、旁路保护、外壳设计、PCB及电缆设计、软件设计对策等。

3.1 屏蔽

根据教学内容，对统计知识点难易程度进行调查，按照容易、一般、较难及很难4个等级，分别赋予分值1、2、3、4。按专业进行分析，计算不同专业学生对各项内容评分的平均分（见表1）。由表1可知，所有专业学生对统计学教学内容评分最高的为t分布、t检验、u检验（z检验），平均分为2.93分；其次为方差分析，平均分为2.64分。

所谓屏蔽是用导电或导磁体的封闭面将内外两侧空间进行的电磁性隔离。金属屏蔽体对电磁场的屏蔽原理主要是反射和吸收作用。对静电放电电磁脉冲场的屏蔽应为电磁屏蔽，屏蔽体材料既要有较好的电导率，同时还要有较好的磁导率，通常采用组合屏蔽，可采用铁镀铜或铁镀铜再镀银等。单层屏蔽层厚度不能满足要求时，还可以采用双层屏蔽，两层之间必须隔离绝缘。通常内屏蔽及印制板电路板浮地，必要时内屏蔽可以采用静电接地，外屏蔽体必须有效地接地。由于静电放电产生的电磁脉冲场具有宽频带特性，这就意味着它能通过较小的孔缝耦合到屏蔽体内，对内部电子线路形成干扰。因此要求屏蔽体有较高的屏蔽完整性。由于电源及信号的输入输出或散热等的需要，电子设备总会出现一些孔缝，这样就破坏了屏蔽体的完整性，对此应采取相应措施。对于孔洞可用金属帽、金属网、凿孔金属板盖上，为了保证良好接触即减小缝隙，应清除绝缘涂覆层，可用螺钉、螺栓或铆钉等紧固，加弹性垫片或EMI型衬垫。

3.2 绝缘隔离

对于不接地设备，隔离是提高静电抗扰度的最好方法。在被测物品表面涂上或贴上一层绝缘能力大于15KV的绝缘材料，绝缘外壳与内部电路间应留有大于2cm的空气间隙，避免静电荷注入到内部电路中，空间距离的增大意味着增大了寄生电容，有助于减小静电电荷的注入，被测试物外壳上的绝缘材料有助于消耗静电释放的能量。

3.3 接地

电子设备外壳和主板边沿元器件接近时，静电泄放到电路内部的可能性很大，此时需要将静电引导到主板的地上，或者接到主板地的金属屏蔽体上，尽量避免静电对电子元器件或主板线路放电而引起电子设备失效。

3.4 提供能量泄放路径

静电放电可通过电压限制、电流限制、高通滤波、带通滤波等方式实现能量泄放及衰减，使外来脉冲泄放到电源或地，从而起到保护器件的目的。在ESD电流流过的地方提供泄放通路，对于金属外壳接插件，由于金属外壳距离信号芯线仅2.2mm，金属外壳上的静电干扰可通过信号芯线进入内部电路，所以，要抑制进入电路的干扰信号，主要是接地泄放，使静电电荷尽快泄放到静电容量较大的载体上去。

3.5 旁路保护

所谓旁路保护，是在被保护对象之前并联一组保护电路或器件，当电路中出现因电磁脉冲耦合产生的瞬态过电压时，保护电路先行击穿，吸收电磁脉冲的大部分能量并转化为其他形式，将被保护元器件两端的电压控制在其能承受的范围内。静电放电瞬态电磁脉冲源的特点是：上升沿极陡，频谱极宽；幅值很高；作用时间短，峰值功率很大。因此，瞬态电磁脉冲引起的过电压保护器件必须有极快的响应速度、较高的耐压能力和较大的通流量，同时还应具有自恢复能力。

瞬态抑制：瞬态抑制二极管（TVS）是一种常用的元器件，对ESD和浪涌干扰能提供快速有效的保护，可在重要元器件的输入端或接口电路（如RS232接口、RS485接口、USB接口等）加瞬态抑制二极管。

图3. TVS典型应用电路

TVS的应用电路见图3。

3.6 外壳设计

产品的静电抗扰性与设备本身的搭接情况密切相关。机壳导电性越好，搭接得越好，静电泄放的速度就越快，静电干扰对产品的影响就越小，产品的静电抗干扰性就越高。（1）工作地、保护地和机壳接地应单独引线到接地桩或接地汇集线上；而对于射频组件，外壳应作为工作地使用。（2）机壳应与内部电路（包括地线）隔离一定的距离。（3）金属零件应避免有尖锐的边缘，避免引起二次电弧。（4）机壳的暴露面涂覆绝缘漆（搭接处不涂）。

3.7 PCB及电缆设计

PCB设计在提高系统的ESD抗扰特性中起着重要的作用。PCB上的走线是ESD产生EMI的发射天线，为了把这些天线的耦合降低，线要求尽可能地短，包围的面积尽可能地小。同时，当元件没有均匀遍布一块大板的整个区域时，共模耦合得到了增强。使用多层板或地线网格减小耦合，也能抑制共模辐射噪声。PCB接地面积越大越好，PCB的接地线需要低阻抗且要有良好的隔离。在电源和地之间放置高频旁路电容，电源与地越接近越好，电源、地布局在板中间比四周好。尽量避免在保护线附近走比较关键的信号线，走线越短越好；将复位、中断、控制信号远离输入/输出口，远离PCB边缘；信号线越接近地线越好。尽量将接口安排在同一个边上。

一个正确设计的电缆保护系统可能是提高系统非敏感性的关键。作为大多数系统中的最大的天线，电缆特别易于被EMI感应出大的电压或电流。从另一方面，电缆提供低阻抗通道，如果电缆屏蔽同机壳地连接可间接地避免传导耦合。为减少辐射EMI耦合到电缆，线长和回路面积要减小，应抑制共模耦合并且使用金属屏蔽。在电缆的两端，电缆屏蔽必须与壳体屏蔽连接。

3.8 软件设计对策

软件ESD抑制措施有两种常用的类型：刷新、检查及恢复。刷新涉及到周期性地复位到休止状态，并且刷新显示器和指示器状态。只需进行一次刷新后假设状态是正确的，其他的事就可以不做了。检查过程用于决定程序是否正确执行，他们在一定间隔时间被激活，以确认程序是否在完成某个功能。如果这些功能没有实现，一个恢复程序就被激活。

4.结论

本文主要针对现阶段医疗设备ESD试验等级的变化做出了分析，并提出了几个常用的整改措施，可以总结为24字方针：静电屏蔽，滤波去耦，绝缘隔离，接地泄放，良好搭接，瞬态抑制。如果做好这几点，相信产品的ESD抗扰度会提高很多，产品可靠性也会有较大提升。

[1] IEC60601-1-2：2014 Medical electrical equipment-Part1-2：General requirements for basic safety andessential performance-Collateral Standard：Electromagnetic disturbances-Requiremens and tests[S]. 2014.

[2] IEC 61000-4-2：2008 Electromagnetic compatibility(EMC)-Part4-2：Testing and measurement techniques-Electrostatic discharge immunity test[S]. 2008.

[3] 马士平.IEC 60601-1-2第四版标准解析[J].标准与应用, 2015.

[4] 杨克俊. 电磁兼容原理与设计技术[M]. 北京：人民邮电出版社, 2004.

IEC60601-1-2：2014 Electrostatic Discharge Immunity Test Changes and Countermeasures

ZHAO Chang-hao Chongqing Jinshan Science & Technology(Group)Co.,Ltd. (Chongqing 401120)

Medical electrical equipment - Electrostatic discharge immunity test has a new change, test levels to further enhance the design of medical electrical equipment put forward higher requirements, the author with many years of experience in the rectifcation, summed up some practical design experience.

ESD, shield, grounding, isolation

1006-6586(2016)11-0063-04

TH772

A

2016-10-02

赵常昊，硕士，工程师，研究方向：医疗电气设备。