醫用電氣設備靜電放電（ESD）抗擾度試驗分析

劉鵬 俞磊 林蒙

【摘要】本文介紹了靜電放電（ESD）的形成機理、放電模型以及耦合方式，創新性地從靜電放電（ESD）耦合路徑入手，對靜電放電（ESD）的干擾機理和抑制對策進行研究。根據電磁兼容（EMC）中靜電放電（ESD）的理論研究和試驗方法，針對耦合路徑設計整改對策，確保整改對策的有效性和可復現性，以此提高靜電放電（ESD）整改成功率。

【關鍵詞】靜電放電（ESD）；傳導性靜電放電（ESD）耦合；輻射性靜電放電（ESD）耦合；電磁兼容（EMC）；醫用電氣設備

【DOI編碼】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），簡稱EMC，是研究在相同的電磁環境情況下，電子設備共同工作而不發生性能影響的科學[1]。醫用領域電磁兼容（EMC）的目的是讓醫用電氣設備在共同的電磁環境下，不會因電磁環境的影響而導致自身性能的降低、功能缺失甚至損壞，也不會對電磁環境釋放超標的電磁干擾，不影響周邊醫用電氣設備的正常使用。電磁兼容（EMC）包括電磁干擾（EMI，Electromagnetic Interference）和電磁抗擾度（EMS，Electromagnetic Susceptibility）兩個方面的內容。本文介紹的靜電放電（ESD）抗擾度試驗屬于電磁抗擾度（EMS）內容。研究電磁兼容抗擾度中靜電放電（ESD）的防護方法，要從靜電放電（ESD）產生的基本原理入手，了解靜電所產生的電磁場與周圍電子器件進行耦合的方式方法，以此對醫用電氣設備進行有效的靜電防護。

1靜電放電（ESD）產生的原因

當具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸時，電荷會發生轉移，這就是靜電現象。當物體的正負電荷相等時，對外是不帶電的，當不同材質的物體相接觸再分離就會產生靜電，但不一定產生靜電放電現象。當正負電荷積累到一定程度時，會產生電位差，從而電荷經由放電路徑發生轉移，此時會發生靜電放電現象，靜電放電（ESD）現象會對醫用電氣設備的正常工作造成嚴重干擾，甚至損壞醫用電氣設備。

產生靜電的兩種方式為摩擦分離起電和感應起電。摩擦分離起電即當不同物體接觸摩擦時發生電荷轉移，將物體分開后各自所帶電荷無法自由移動，摩擦物留存有電荷，從而分別帶有正電和負電，正負電荷總量相等。感應起電是指導體材料，將電中性（不帶電）的導體放入靜電場中，導體內的正負電荷因為同性相斥，異性相吸發生轉移，致使導體上的電荷發生分離產生靜電現象。

2靜電放電（ESD）特點

靜電放電的發生通常伴隨著高電位、強電場和瞬時大電流的過程，附帶強電磁輻射和強電磁脈沖，這對醫用電氣設備的威脅是巨大的。長期以來，人們對靜電放電的理解存在誤區，片面地以為靜電放電是小電流過程，雖然有些放電是小電流過程，如電暈放電，但在醫用電氣設備使用環境中，靜電放電的發生通常會伴隨瞬時大電流，靜電放電（ESD）電流表達式為：

根據電流表達式，靜電放電脈沖寬度為ns級、瞬時大電流強度為幾十甚至上百安培。靜電頻帶寬度從幾十赫茲到一千兆赫茲，頻帶非常寬，在高頻段由瞬時大電流引起的電磁輻射干擾同樣會對醫用電氣設備造成嚴重干擾。

靜電放電產生的電磁場分為遠場和近場，遠場由電流微分項產生，近場由電荷激發產生。電場和磁場強度與放電電流成正比，且上升沿陡、幅值高、頻譜寬，電場可達數千伏/米，磁場可達幾十安/米，因此近場以靜電場為主。近場的結構十分復雜，包括電容上的能量輻射、電感能量存儲以及反射能量的疊加。遠場是以輻射為主，電場和磁場與時間的變化率有關，遠場場強隨距離增大而減小。近場和遠場場強與放電電壓成正相關，但隨著放電火花長度的變大和脈沖電流上升時間的持續，會導致整體的輻射場變小。

3靜電放電（ESD）模型

靜電放電過程存在不確定性，其對醫用電氣設備造成的損害難以確切地評估。為最大限度控制靜電放電（ESD）造成的損害，在全面掌握實際發生靜電放電（ESD）的各種情況后，根據醫用電氣設備的常用環境以及靜電放電（ESD）特性總結出了兩種最常用模型：人體模型和人體金屬模型。

人體是醫用電氣設備在工作過程中最主要的靜電放電源。人體模型，簡稱HBM（Human Body Model），用來模擬人體指尖與接地物體接觸時產生靜電放電（ESD）的情形。人體模型通常采用RC串聯網絡來描述，如圖1所示。國際電工委員會的相關標準中規定C = 100pF，R = 1.5kΩ。

人體金屬模型，簡稱BMM（Body Machine Model），主要用來模擬人體持有金屬物體時對其他物體進行靜電放電（ESD）的情況。人體金屬模型通常用雙RLC結構描述，如圖2所示。該模型（BMM）的金屬部件具有的尖端效應，其將周圍的場強明顯提高，再加上金屬部件所特有的電極效應，導致放電過程中等效電阻變得很小。因此，在條件相同的情況下，人體金屬放電模型（BMM）較人體放電模型（HBM）靜電放電持續的時間更短，同時放電過程中產生的放電電流峰值較高。

4靜電放電（ESD）的耦合路徑

由電磁兼容標準YY 9706.102—2021《醫用電氣設備第1-2部分：基本安全和基本性能的通用要求并列標準：電磁兼容要求和試驗》可知，靜電放電（ESD）對醫用電氣設備的干擾方式有接觸放電和間接放電，耦合途徑有磁場耦合、電場耦合以及轄射耦合。其中，靜電放電（ESD）產生的電磁場通過天線結構（導體結構）形成的耦合，即輻射耦合，為了定性分析，需對電磁場進行計算。電場耦合對應傳導電磁干擾，輻射耦合對應輻射電磁干擾。

4.1傳導性靜電放電（ESD）耦合路徑

傳導性靜電放電是通過耦合電容進行耦合，醫用電氣設備中任何兩根鄰近的導線都構成一個電容，如圖3所示，圖中Cab為導線a和導線b之間的耦合電容。

通過公式發現，干擾源的干擾電壓以及電壓的頻率與被干擾電路的耦合電容、源阻抗和負載阻抗的并聯值成正比。因此，為了抑制干擾電壓可以采用下列辦法：1）降低干擾源頻率；2）降低被耦合電路的負載阻抗和源阻抗并聯值，降低耦合電容，當電路間的距離（導線間距D除以導線直徑d）大于40時，耦合電容Cab基本不再降低；3）實施屏蔽防護。

4.2輻射性靜電放電（ESD）耦合路徑

由上式得出，偶極子放電模型在靜電放電（ESD）的近場區域主要為感應電場，由電荷項產生，其隨空間距離的加大衰減迅速；在遠場區域主要為輻射電場，由放電電流產生。近場區域范圍內，電荷對電場的作用十分明顯。

5靜電放電（ESD）的防護方法和抑制措施研究

靜電放電（ESD）對醫用電氣設備工作造成的危害具有非常大的不確定性，尤其我國北方秋冬季節空氣干燥，在醫用電氣設備工作過程中靜電現象頻繁發生，必須采取有效措施降低靜電放電帶來的危害。由前文分析可得，靜電放電（ESD）的特點是復雜的放電過程、多種耦合途徑和強電磁場干擾等，因此靜電放電（ESD）問題難以得到有效的防護和抑制。下面主要從醫用電氣設備的產品設計和整改兩方面，分別對應靜電放電（ESD）的防護方法和抑制措施進行探討。

5.1靜電放電（ESD）的防護方法

解決靜電問題最好的時機是在醫用電氣設備的設計階段，將防護關注點集中在醫用電氣設備的接地、IO端口、顯示屏、按鍵等。靜電放電（ESD）發生的頻率范圍非常寬，其通過多種耦合途徑對醫用電氣設備進行干擾。因此，為防止靜電放電（ESD）對醫用電氣設備造成干擾甚至損壞，可以對干擾路徑進行屏蔽或者強化醫用電氣設備的抗靜電干擾能力。

在對醫用電氣設備進行防靜電設計時，應主要關注電路板、屏蔽、接地、設備外殼方面。這幾個方面在產品研發設計時，須全面考慮，設計電路板時要考慮屏蔽和接地，外殼材料的選取要考慮屏蔽和接地。

醫用電氣設備采用金屬外殼或者屏蔽罩可將靜電導入大地，阻隔靜電電弧及電磁場，從而保護醫用電氣設備免受靜電放電的損害。金屬外殼和屏蔽罩應做接地連，將屏蔽罩和金屬外殼接地連接在一起，設備外殼可采用非金屬外殼噴導電漆處理，這樣可以降低成本，降低設備重量。金屬外殼或屏蔽罩的制作工藝應避免缺口和縫隙；導電漆噴涂工藝要保證連續性和均勻性；屏蔽材料應避免出現直角；外殼孔徑應小于20 mm，當走線需要大口徑開口時可以用多個小口徑開口代替一個大口徑開口；電器元件選取應符合電磁兼容要求，并具有相關檢驗認證報告；線纜進入點應靠近面板中心，注意避免靠近邊緣位置。

醫用電氣設備電子器件的選擇應考慮其抗靜電能力，通常采用更高抗靜電等級的電子器件，若無法滿足更高的靜電防護要求，可綜合采取改善電路板布局、設計保護電路以及加固接地等對策來彌補電子器件抗靜電能力低的缺點。

在發生靜電放電時，首先對金屬導體電容進行充電，然后流經所有的導電路徑，低阻抗是良好的泄流路徑，有效的接地可以使靜電電流快速泄流，導體部件之間的通路應使用低阻抗路徑，從而確保部件間的電位差為最小。因此，為使部件通路和接地能有效抑制靜電放電，應確保靜電電流路徑的阻抗為最小，可通過以下兩種方式實現：1）在靜電電流主要經過路徑加固接地；2）醫用電氣設備金屬外殼部分接地。

5.2靜電放電（ESD）抑制對策

為了更好地對靜電進行防護，須注重醫用電氣設備成品送檢階段靜電放電抑制。根據靜電放電的干擾原理，從傳導性靜電放電和輻射性靜電放電分別給出相應的抑制對策。

5.2.1傳導性靜電放電（ESD）抑制對策

由傳導性靜電放電干擾原理可知，采用抑制或泄放靜電尖峰電流的方式可有效抑制傳導性靜電放電干擾。良好的接地可有效對傳導性靜電進行泄流，也可在靜電電流主要流過的路徑安裝瞬態抑制二極管（TVS管）。瞬態抑制二極管具有響應快、浪涌吸收率高等特點，是常用的靜電保護器件。當靜電電流流過時，其高阻抗狀態瞬間轉化為低阻抗狀態，將電流快速泄放，并將電壓箝制在瞬態抑制二極管參數的預設值。

5.2.2輻射性靜電放電（ESD）抑制對策

針對送檢的醫用電氣設備靜電問題，為避免對被檢樣品進行大的改動，通常會在外圍采取抑制對策。常用的方法有：靜電屏蔽、中和、泄漏與散耗和增濕。被測醫用電氣設備靜電放電試驗不合格時，靜電屏蔽和靜電泄漏與散耗是最常用的兩種方式。本文主要介紹電磁屏蔽和建立靜電接地兩種方式來抑制輻射性靜電放電。

靜電屏蔽可以解決輻射性靜電放電問題，通常選取屏蔽材料，如靜電膜對醫用電氣設備的敏感部件進行電磁屏蔽。屏蔽是利用等電勢原理，即靜電膜在封閉空間內形成一個等電勢區域，區域內場強為零，故屏蔽層內的敏感部件或電路可以不受輻射電磁場的干擾。

建立靜電接地也能有效解決輻射性靜電問題。由于靜電產生的電流頻率很高，導致醫用電氣設備內部電路板與地之間產生分布電容，由于分布電容數值較大，將阻礙靜電電流的有效泄放。建立靜電接地即在醫用電氣設備內部電路板與設備接地金屬外殼間構建屏蔽膜，由此電路板與地之間的分布電容調整為電路板與靜電地、靜電地與地之間的兩個串聯電容。顯然，串聯后的分布電容數值降低、電阻變小，更有利于靜電電流的泄放。因此，建立靜電接地能將靜電電流導入大地，保證醫用電氣設備的正常工作。

6結束語

本文介紹了靜電放電（ESD）產生的機理、放電模型和耦合干擾方式，對醫用電氣設備研發設計階段和送檢階段的靜電防護對策分別進行了闡述。深入淺出地介紹了靜電放電（ESD）模型，從耦合路徑入手，通過設計電磁屏蔽以及建立靜電接地等方式處理靜電問題，保證醫用電氣設備的正常工作不受靜電放電（ESD）影響。

【參考文獻】

[1]電磁兼容試驗和測量技術抗擾度試驗總論：GB/T 17626.1—2006/IEC 61000—4—1：2000[S].

【作者簡介】

劉鵬，男，1985年出生，高級工程師，研究方向為有源醫療器械檢驗。

（編輯：侯睿琪）