医用电气设备静电放电（ESD）抗扰度试验分析

2024-05-30刘鹏俞磊林蒙

品牌与标准化 2024年2期

刘鹏俞磊林蒙

【摘要】本文介绍了静电放电（ESD）的形成机理、放电模型以及耦合方式，创新性地从静电放电（ESD）耦合路径入手，对静电放电（ESD）的干扰机理和抑制对策进行研究。根据电磁兼容（EMC）中静电放电（ESD）的理论研究和试验方法，针对耦合路径设计整改对策，确保整改对策的有效性和可复现性，以此提高静电放电（ESD）整改成功率。

【关键词】静电放电（ESD）；传导性静电放电（ESD）耦合；辐射性静电放电（ESD）耦合；电磁兼容（EMC）；医用电气设备

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.02.055

Analysis of Electrostatic Discharge （ESD） Immunity Test of Medical Electrical Equipment

LIU Peng1， YU Lei2， LIN Meng3

（1.Liaoning Inspection，Examination & Certification Centre〔Liaoning Medical Device Test Institute〕， Shenyang 110036， China； 2. Shanghai Instrument and Control System Inspection and Testing Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China； 3. Wuhan Lianying Zhirong Medical Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： This paper introduces the formation mechanism， discharge model， and coupling method of electrostatic discharge （ESD）， and innovatively studies the interference mechanism and suppression countermeasures of electrostatic discharge （ESD） from the perspective of ESD coupling path. According to the theoretical research and experimental methods of electrostatic discharge （ESD） in electromagnetic compatibility （EMC）， corrective measures are designed for the coupling path， and ensure the effectiveness and reproducibility of rectification measures， and effectively improve the success rate of electrostatic discharge （ESD） rectification.

Keywords： electrostatic discharge （ESD）； conductive electrostatic discharge （ESD） coupling； radiative electrostatic discharge （ESD） coupling；electromagnetic compatibility （EMC）； medical electrical equipment

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility），简称EMC，是研究在相同的电磁环境情况下，电子设备共同工作而不发生性能影响的科学[1]。医用领域电磁兼容（EMC）的目的是让医用电气设备在共同的电磁环境下，不会因电磁环境的影响而导致自身性能的降低、功能缺失甚至损坏，也不会对电磁环境释放超标的电磁干扰，不影响周边医用电气设备的正常使用。电磁兼容（EMC）包括电磁干扰（EMI，Electromagnetic Interference）和电磁抗扰度（EMS，Electromagnetic Susceptibility）两个方面的内容。本文介绍的静电放电（ESD）抗扰度试验属于电磁抗扰度（EMS）内容。研究电磁兼容抗扰度中静电放电（ESD）的防护方法，要从静电放电（ESD）产生的基本原理入手，了解静电所产生的电磁场与周围电子器件进行耦合的方式方法，以此对医用电气设备进行有效的静电防护。

1静电放电（ESD）产生的原因

当具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触时，电荷会发生转移，这就是静电现象。当物体的正负电荷相等时，对外是不带电的，当不同材质的物体相接触再分离就会产生静电，但不一定产生静电放电现象。当正负电荷积累到一定程度时，会产生电位差，从而电荷经由放电路径发生转移，此时会发生静电放电现象，静电放电（ESD）现象会对医用电气设备的正常工作造成严重干扰，甚至损坏医用电气设备。

产生静电的两种方式为摩擦分离起电和感应起电。摩擦分离起电即当不同物体接触摩擦时发生电荷转移，将物体分开后各自所带电荷无法自由移动，摩擦物留存有电荷，从而分别带有正电和负电，正负电荷总量相等。感应起电是指导体材料，将电中性（不带电）的导体放入静电场中，导体内的正负电荷因为同性相斥，异性相吸发生转移，致使导体上的电荷发生分离产生静电现象。

2静电放电（ESD）特点

静电放电的发生通常伴随着高电位、强电场和瞬时大电流的过程，附带强电磁辐射和强电磁脉冲，这对医用电气设备的威胁是巨大的。长期以来，人们对静电放电的理解存在误区，片面地以为静电放电是小电流过程，虽然有些放电是小电流过程，如电晕放电，但在医用电气设备使用环境中，静电放电的发生通常会伴随瞬时大电流，静电放电（ESD）电流表达式为：

根据电流表达式，静电放电脉冲宽度为ns级、瞬时大电流强度为几十甚至上百安培。静电频带宽度从几十赫兹到一千兆赫兹，频带非常宽，在高频段由瞬时大电流引起的电磁辐射干扰同样会对医用电气设备造成严重干扰。

静电放电产生的电磁场分为远场和近场，远场由电流微分项产生，近场由电荷激发产生。电场和磁场强度与放电电流成正比，且上升沿陡、幅值高、频谱宽，电场可达数千伏/米，磁场可达几十安/米，因此近场以静电场为主。近场的结构十分复杂，包括电容上的能量辐射、电感能量存储以及反射能量的叠加。远场是以辐射为主，电场和磁场与时间的变化率有关，远场场强随距离增大而减小。近场和远场场强与放电电压成正相关，但随着放电火花长度的变大和脉冲电流上升时间的持续，会导致整体的辐射场变小。

3静电放电（ESD）模型

静电放电过程存在不确定性，其对医用电气设备造成的损害难以确切地评估。为最大限度控制静电放电（ESD）造成的损害，在全面掌握实际发生静电放电（ESD）的各种情况后，根据医用电气设备的常用环境以及静电放电（ESD）特性总结出了两种最常用模型：人体模型和人体金属模型。

人体是医用电气设备在工作过程中最主要的静电放电源。人体模型，简称HBM（Human Body Model），用来模拟人体指尖与接地物体接触时产生静电放电（ESD）的情形。人体模型通常采用RC串联网络来描述，如图1所示。国际电工委员会的相关标准中规定C = 100pF，R = 1.5kΩ。

人体金属模型，简称BMM（Body Machine Model），主要用来模拟人体持有金属物体时对其他物体进行静电放电（ESD）的情况。人体金属模型通常用双RLC结构描述，如图2所示。该模型（BMM）的金属部件具有的尖端效应，其将周围的场强明显提高，再加上金属部件所特有的电极效应，导致放电过程中等效电阻变得很小。因此，在条件相同的情况下，人体金属放电模型（BMM）较人体放电模型（HBM）静电放电持续的时间更短，同时放电过程中产生的放电电流峰值较高。

4静电放电（ESD）的耦合路径

由电磁兼容标准YY 9706.102—2021《医用电气设备第1-2部分：基本安全和基本性能的通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验》可知，静电放电（ESD）对医用电气设备的干扰方式有接触放电和间接放电，耦合途径有磁场耦合、电场耦合以及辖射耦合。其中，静电放电（ESD）产生的电磁场通过天线结构（导体结构）形成的耦合，即辐射耦合，为了定性分析，需对电磁场进行计算。电场耦合对应传导电磁干扰，辐射耦合对应辐射电磁干扰。

4.1傳导性静电放电（ESD）耦合路径

传导性静电放电是通过耦合电容进行耦合，医用电气设备中任何两根邻近的导线都构成一个电容，如图3所示，图中Cab为导线a和导线b之间的耦合电容。

通过公式发现，干扰源的干扰电压以及电压的频率与被干扰电路的耦合电容、源阻抗和负载阻抗的并联值成正比。因此，为了抑制干扰电压可以采用下列办法：1）降低干扰源频率；2）降低被耦合电路的负载阻抗和源阻抗并联值，降低耦合电容，当电路间的距离（导线间距D除以导线直径d）大于40时，耦合电容Cab基本不再降低；3）实施屏蔽防护。

4.2辐射性静电放电（ESD）耦合路径

由上式得出，偶极子放电模型在静电放电（ESD）的近场区域主要为感应电场，由电荷项产生，其随空间距离的加大衰减迅速；在远场区域主要为辐射电场，由放电电流产生。近场区域范围内，电荷对电场的作用十分明显。

5静电放电（ESD）的防护方法和抑制措施研究

静电放电（ESD）对医用电气设备工作造成的危害具有非常大的不确定性，尤其我国北方秋冬季节空气干燥，在医用电气设备工作过程中静电现象频繁发生，必须采取有效措施降低静电放电带来的危害。由前文分析可得，静电放电（ESD）的特点是复杂的放电过程、多种耦合途径和强电磁场干扰等，因此静电放电（ESD）问题难以得到有效的防护和抑制。下面主要从医用电气设备的产品设计和整改两方面，分别对应静电放电（ESD）的防护方法和抑制措施进行探讨。

5.1静电放电（ESD）的防护方法

解决静电问题最好的时机是在医用电气设备的设计阶段，将防护关注点集中在医用电气设备的接地、IO端口、显示屏、按键等。静电放电（ESD）发生的频率范围非常宽，其通过多种耦合途径对医用电气设备进行干扰。因此，为防止静电放电（ESD）对医用电气设备造成干扰甚至损坏，可以对干扰路径进行屏蔽或者强化医用电气设备的抗静电干扰能力。

在对医用电气设备进行防静电设计时，应主要关注电路板、屏蔽、接地、设备外壳方面。这几个方面在产品研发设计时，须全面考虑，设计电路板时要考虑屏蔽和接地，外壳材料的选取要考虑屏蔽和接地。

医用电气设备采用金属外壳或者屏蔽罩可将静电导入大地，阻隔静电电弧及电磁场，从而保护医用电气设备免受静电放电的损害。金属外壳和屏蔽罩应做接地连，将屏蔽罩和金属外壳接地连接在一起，设备外壳可采用非金属外壳喷导电漆处理，这样可以降低成本，降低设备重量。金属外壳或屏蔽罩的制作工艺应避免缺口和缝隙；导电漆喷涂工艺要保证连续性和均匀性；屏蔽材料应避免出现直角；外壳孔径应小于20 mm，当走线需要大口径开口时可以用多个小口径开口代替一个大口径开口；电器元件选取应符合电磁兼容要求，并具有相关检验认证报告；线缆进入点应靠近面板中心，注意避免靠近边缘位置。

医用电气设备电子器件的选择应考虑其抗静电能力，通常采用更高抗静电等级的电子器件，若无法满足更高的静电防护要求，可综合采取改善电路板布局、设计保护电路以及加固接地等对策来弥补电子器件抗静电能力低的缺点。

在发生静电放电时，首先对金属导体电容进行充电，然后流经所有的导电路径，低阻抗是良好的泄流路径，有效的接地可以使静电电流快速泄流，导体部件之间的通路应使用低阻抗路径，从而确保部件间的电位差为最小。因此，为使部件通路和接地能有效抑制静电放电，应确保静电电流路径的阻抗为最小，可通过以下两种方式实现：1）在静电电流主要经过路径加固接地；2）医用电气设备金属外壳部分接地。

5.2静电放电（ESD）抑制对策

为了更好地对静电进行防护，须注重医用电气设备成品送检阶段静电放电抑制。根据静电放电的干扰原理，从传导性靜电放电和辐射性静电放电分别给出相应的抑制对策。

5.2.1传导性静电放电（ESD）抑制对策

由传导性静电放电干扰原理可知，采用抑制或泄放静电尖峰电流的方式可有效抑制传导性静电放电干扰。良好的接地可有效对传导性静电进行泄流，也可在静电电流主要流过的路径安装瞬态抑制二极管（TVS管）。瞬态抑制二极管具有响应快、浪涌吸收率高等特点，是常用的静电保护器件。当静电电流流过时，其高阻抗状态瞬间转化为低阻抗状态，将电流快速泄放，并将电压箝制在瞬态抑制二极管参数的预设值。

5.2.2辐射性静电放电（ESD）抑制对策

针对送检的医用电气设备静电问题，为避免对被检样品进行大的改动，通常会在外围采取抑制对策。常用的方法有：静电屏蔽、中和、泄漏与散耗和增湿。被测医用电气设备静电放电试验不合格时，静电屏蔽和静电泄漏与散耗是最常用的两种方式。本文主要介绍电磁屏蔽和建立静电接地两种方式来抑制辐射性静电放电。

静电屏蔽可以解决辐射性静电放电问题，通常选取屏蔽材料，如静电膜对医用电气设备的敏感部件进行电磁屏蔽。屏蔽是利用等电势原理，即静电膜在封闭空间内形成一个等电势区域，区域内场强为零，故屏蔽层内的敏感部件或电路可以不受辐射电磁场的干扰。

建立静电接地也能有效解决辐射性静电问题。由于静电产生的电流频率很高，导致医用电气设备内部电路板与地之间产生分布电容，由于分布电容数值较大，将阻碍静电电流的有效泄放。建立静电接地即在医用电气设备内部电路板与设备接地金属外壳间构建屏蔽膜，由此电路板与地之间的分布电容调整为电路板与静电地、静电地与地之间的两个串联电容。显然，串联后的分布电容数值降低、电阻变小，更有利于静电电流的泄放。因此，建立静电接地能将静电电流导入大地，保证医用电气设备的正常工作。