無外接電源醫療設備靜電問題處理方法分析

張 濤 楊 雄 趙 陽 周孟夏 夏 清

（南京師范大學江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室，南京 210043）

無外接電源醫療設備靜電問題處理方法分析

張 濤 楊 雄 趙 陽 周孟夏 夏 清

（南京師范大學江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室，南京 210043）

電磁兼容標準YY0505-2012在醫療器械行業執行后，醫療設備的電磁兼容問題得到極大關注，其中靜電防護方面形成了一些常見的經驗性的措施，如用金屬外殼罩住并接地進行屏蔽、在片上使用防ESD器件等。然而，很少涉及在無外接電源情況下的研究，本文針對無外接電源情況下醫療設備的靜電防護問題做了探索和分析，提出了三項整改措施，并結合整改案例進行分析。整改結果表明，本文提出的三種ESD防護措施具有實用性，對ESD防護措施研究具有一定參考價值。

無外接電源；靜電干擾模型；ESD防護措施；整改分析

如今，人們已經普遍意識到靜電放電（即ESD）會對電子設備的正常工作以及接觸工作中的電子設備的工作人員帶來極大的干擾和損害，因此，設備制造方在設計電子設備的時候，會針對靜電放電采取充分的防護措施，且電子設備必須通過相關檢測才能投入生產使用[1]。靜電放電主要對電子設備的電源、接地、輸入端口、輸出端口、半導體器件等方面造成干擾，使設備不能正常工作。在做ESD防護措施時，主要從工藝結構、機殼、屏蔽、接地、布線、器件選擇等方面考慮[2-5]。目前具體的 ESD防護措施一般有[6-7]：

1）屏蔽：在電子設備的電路板外部用一個金屬外殼板形成靜電屏蔽，金屬外殼鍍絕緣漆以防止人體靜電流入外殼，外殼接地。使用屏蔽線纜，防止靜電通過傳導耦合形成干擾。

2）接地：將電路板和芯片接虛擬地，形成等電位。將外殼接地，以泄放積累的靜電荷。工作太接地，工作人員戴靜電防護手腕，手腕連好接地等。

3）絕緣：工作人員穿戴絕緣材料的衣物、手套和鞋帽等。設備外殼使用塑膠殼。

4）片上使用 ESD防護器件：使用陶瓷電容、肖特基二極管和TVS管等進行穩壓。

醫療設備靜電放電抗干擾度的測試標準參照YY0505-2012中的3級標準，即設備需要通過6kV的接觸放電測試和8kV的空氣放電。無外接電源的醫療設備由于沒有對地泄放電荷的路徑，情況特殊，現在這方面的文獻和案例比較少，本文就該問題進行探討。

1 靜電放電的形成機理及等效模型

1.1 靜電放電的形成機理

靜電即相對靜止的電荷，產生靜電的原因有兩種，即摩擦起電和感應起電。兩個絕緣體相互摩擦，導致一個絕緣體帶靜電另一個絕緣體帶負電的現象就是摩擦起電。將電中性的導體置于電場中使得導體內部電荷移動與電場形成電荷平衡而帶靜電的現象就是感應起電。帶有不同靜電荷量物體具有不同的靜電電位，當具有不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸時，會引起電荷移動，形成電流，這個過程稱為靜電放電，也即ESD。產生靜電放電的方式主要有兩種，即接觸放電和氣隙放電。靜電放電過程中，電流是變化的，表達式如下：

1.2 靜電放電的等效電路模型

靜電放電可以等效成四種電路模型：人體放電模型、機器放電模型、組件放電模型、電場感應模型。本文主要介紹人體模型與機器模型。人體模型反應的是醫療設備在使用過程中使用者所帶靜電對設備放電的現象。當人體接觸電子設備時導致ESD的時用人體模型來描述，等效電路如圖1（a）所示，模擬帶電人體的電路元件是一個100pF的電容器串聯一個1500Ω的電阻。機器模型反應的是ESD測試時靜電槍對設備放電的過程。電子設備靜電放電抗干擾度檢測過程中，靜電槍向電子設備打靜電時用機器模型來描述，等效電路如圖1（b）所示，模擬器件是一個200pF的電容器，等效電阻為0Ω。

圖1 靜電放電的兩種等效模型

2 無外接電源醫療設備的防ESD技術及整改案例分析

本文針對的是無外接電源醫療設備的 ESD問題，現以一款無外接電源醫療設備ESD問題的成功整改作為案例進行詳細分析。未對案例中的設備做任何整改措施時，靜電槍測試設備的金屬外殼、屏幕、端口裸露金屬、螺絲釘等部位，設備都不能正常工作，如圖2所示，各指示燈正常亮，但屏幕沒有顯示。

圖2 無措施時的測試結果

通過觀察，發現產品無外接電源，外部用金屬殼進行屏蔽，但未良好接地，金屬殼各板之間沒有導通，顯示屏未做ESD防護措施，外部端口是裸露的金屬，電路板沒有專門的ESD防護器件。整改過程中，主要采取了3個措施，后文將詳解。

2.1 殼體等電位處理

圖3 靜電槍測試設備外殼時的示意圖

靜電槍在設備的外殼進行ESD測試時的如圖3（a）所示，靜電槍放出的電荷積累在設備的金屬外殼上，對設備內部的芯片形成感應電壓E對芯片造成干擾。對（a）圖進行簡化，可得到（b）圖所示的等效模型，靜電荷形成的感應電壓用一個兩端電壓為 U的電容表示，因此可得到（c）圖所示的靜電測試等效電路，且感應電壓U與金屬殼上積累的電荷量Q和等效電容C之間有如下關系：

由上式可知，可以通過減小電荷量Q和增大感應電容C減小感應電壓U，而要改變感應電壓C比較麻煩，需要對殼體做較大變化，不可取。因此，本文從減小電荷量Q著手提出整改措施，而視C為定值。將金屬外殼接地，將電荷泄放到地當然是最好的辦法，然而設備無外接電源，外殼上的電荷沒有泄放途徑。前面已知，該設備金屬外殼各面的金屬板之間是由絕緣漆隔離的，并沒有導通，因此靜電槍測試時，電荷主要聚集在靜電槍所打的面板上。于是本文將金屬外殼通過銅膜和銅線將整個金屬外殼導通，螺絲金屬連接器件也導通，連接點處的絕緣漆刮掉，如圖4所示。這樣，金屬外殼完全導通，單面金屬殼上分布的電荷量Q減小了，對芯片的感應電壓U也隨之減小了，且相對方向面板感應出來的感應電壓有抵消作用，也有助于感應電壓U。

圖4 殼體等電位處理措施

2.2 PCB電源防ESD處理

ESD事件形成的瞬態過沖電壓和過沖電流傳播時會耦合到相鄰的到線上，包括電源線、數據線和時鐘信號線，會嚴重危害片上的芯片和半導體器件。其等效電路模型是機器模型，如圖1（b）所示。

TVS靜電抑制器是一種雙向的穩壓管，對屬于限壓型保護器件，脈沖騷擾具有良好的抑制能力，適合用于ESD防護和浪涌防護。它的伏安特性如圖5所示，當TVS兩極的電壓超過其最大峰值電壓即鉗位電壓VBR時，其內的齊納二極管被擊穿，使得器件兩端的電壓穩定在峰值電壓附近，而ESD產生的脈沖電流被泄放掉。

圖5 TVS的伏安特性

當TVS承受正向電壓時，其等效電路圖如圖6（a）所示，有內阻和分布電容以及分布電感。當TVS承受反向電壓時，其等效電如圖7所示。

圖6 TVS的等效電路

將TVS的分布電感、分布電容以及內阻等參數簡化等效成一個分布阻抗元件，則可得到TVS工作時簡化的等效電路模型，如圖7所示，Rg是電源內阻，TVS并聯在電源兩端，其中電源內阻Rg、TVS靜電抑制器的分布阻抗Rs以及負載RL之間滿足Rg＞Rs+RL＞Rs這一關系。

圖7 TVS在PCB板工作時的等效電路

根據環路電壓分析法可由電路模型圖得到在電源兩端并聯TVS后PCB板負載兩端的電壓：

本文在產品的PCB板電源處以及片上芯片的電源處并接TVS靜電抑制器和電容器，以穩定片上供電電壓，TVS靜電抑制器的鉗位電壓大小和電容值的大小視并聯處的額定電壓而定。具體措施如圖 8所示。

圖8 PCB電源的ESD防護措施

靜電測試時的 ESD干擾芯片的示意圖如圖 9（a）所示，ESD產生的電流IESD超過PCB板的上限電流，涌入PCB板后導致芯片不能正常工作。加了TVS后進行ESD測試時的示意圖如圖9（b）所示，TVS將PCB板的電源電壓穩定在VL附近，使得流入芯片的電流在正常范圍內。

圖9 ESD測試干擾芯片的示意圖

2.3 外部信號端口防ESD處理

電子設備的外部信號端口常常裸露著金屬，當進行ESD干擾度測試的時候，靜電槍向端口放電常常造成電子設備不能造成工作，如燈光閃爍、顯示屏顯示亂碼或黑屏。本次整改中，對產品外部信號端口未采取任何措施時，測試過程中顯示屏不能正常工作。靜電槍對信號端口放電也可以等效成ESD的機器模型，如圖1（b）所示。其過沖電流耦合到信號線和數據線流通到片上，干擾芯片的正常工作，其示意圖如圖10（a）、（c）所示。

因此，本文整改的方案是給信號端口套上絕緣材料，阻隔靜電槍對設備的放電路徑，具體措施如圖11所示。

圖10 靜電槍測試外部信號端口時的示意圖

圖11 外部信號端口的ESD防護措施

加了措施后ESD測試時的示意圖如圖11（b）、（d）所示，由于絕緣材料阻隔了ESD的干擾路徑，絕緣材料的等效電阻趨于無窮大，耦合到片上的干擾電壓U大大降低，接近于零。

2.4 整改結果及分析

電子電路的醫療設備的 ESD問題不外乎從殼體、PCB電路的電源、外部信號端口三方面考慮，這是靜電放電的主要途徑。靜電測試時靜電槍主要對設備殼體、外部裸露金屬放電，因此，上述3個措施對解決ESD問題是完備的。一般情況下，進行ESD防護需要考慮到電子設備的各個部位，不同部位采取不同措施，因此，以上3個措施須結合使用，若只采取一兩項措施，電子設備是很難通過測試的。如圖12所示，是本次整改未加全措施時的ESD測試情況，雖然顯示屏能顯示了，但仍然有亂碼。結合采取了3個措施后，任憑靜電槍測試，設備都能正常工作了，如圖13所示。

圖12 措施不全時ESD測試結果

圖13 結合3項措施時ESD測試結果

3 結論

本文結合實際的整改案例，提出了3種無外接電源醫療設備的ESD防護措施：

1）通過銅膜使金屬外殼形成等電位，目的是屏蔽外來的ESD。雖然金屬外殼上的電荷沒有外接電源這一泄放路徑，但是這一措施對防護ESD也有良好的效果。

2）在片上的電源處并聯TVS靜電抑制器，TVS具有穩壓功能，能將 ESD過沖電壓降低下來，使PCB板及其上面芯片的電源電壓維持在正常范圍內。

3）給設備外部的信號端口套上絕緣材料，阻隔ESD過沖電流流入片內。

事實證明，以上3種措施能對無外接電源醫療設備進行ESD防護，使其通過ESD抗干擾度檢測，得以正常生產使用。

[1]趙陽,封志明,黃學軍.電磁兼容測試方法與工程應用[M].北京:電子工業出版社,2010.

[2]趙陽,See KY.電磁兼容基礎與應用(英文版)[M].北京:機械工業出版社,2006.

[3]姜寧秋,趙陽,尹海平,等.電磁兼容中的抗靜電研究及其在汽車CAN總線控制系統中的應用[J].南京師范大學學報(工程技術版),2008,8(2):10-14.

[4]羅廣孝,崔翔,張衛東,等.TVS靜電抑制器等效電路參數估算及應用[J].中國電機工程學報,2013,33(16):204-211,前插26.

[5]黎莫清,周小武.TVS器件特性參數分析及應用[J].現代電子技術,2013,36(16):127-130.

[6]張聰凌.ESD防護器件的電路級仿真及建模[D].浙江:浙江大學,2008.

[7]崔強.集成電路中ESD防護研究[D].浙江:浙江大學,2008.

The Analysis of No External Power Supply Medical Equipment’s Electrostatic Problem

Zhang Tao Yang Xiong Zhao Yang Zhou Mengxia Xia Qing
(Jiangsu Province Electromagnetic Compatibility Laboratory,Nanjing Normal University,Nanjing 210042)

Since the electromagnetic compatibility standard YY0505-2012 was executed in the medical device industry,the electromagnetic compatibility of medical equipment has received much attention.Some common empirical measures about ESD protection have been taken,such as covering the equipment with a metal shell linked to the ground for shielding and using ESD devices on chip.However,there are rare studies involving no external power supply equipment.Therefore,this paper has explored and analyzed the problem of ESD in no external power supply medical equipment and has proposed three rectification measures for this problem with analyses of rectification cases.Rectification results indicate that the three ESD protective measures proposed in the paper are practical and have certain reference value for the research of ESD protection measures.

no external power supply equipment;ESD interference model;ESD protective measures;rectification analysis

張 濤（1990-），男，在讀碩士研究生，研究方向為電磁兼容技術與應用。

江蘇省自然科學基金（BK2011789）

江蘇省教育廳高校科研成果產業化推進項目（JHB2011-20）