IEC60601-1-2：2014 靜電放電抗擾度測試變化及對策

趙常昊 重慶金山科技(集團(tuán))有限公司 （重慶 401120）

IEC60601-1-2：2014 靜電放電抗擾度測試變化及對策

趙常昊 重慶金山科技(集團(tuán))有限公司 （重慶 401120）

醫(yī)療電氣設(shè)備的靜電放電抗擾度測試又有了新的變化，試驗(yàn)等級進(jìn)一步提升，對醫(yī)療電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文結(jié)合多年的整改經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了一些實(shí)用的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

靜電放電 屏蔽 接地 隔離

0.引言

2014年國際電工委員會（IEC）發(fā)布了醫(yī)療電氣設(shè)備第四版EMC標(biāo)準(zhǔn)IEC 60601-1-2：2014。相對于第三版，第四版發(fā)生了一些變化，本文主要對靜電放電抗擾度測試的變化做分析，并提出整改對策及意見。

1.靜電放電抗擾度測試變化

靜電放電抗擾度（ESD）測試屬于抗干擾（EMS）測試中的一部分，第四版將醫(yī)療設(shè)備的端口進(jìn)行了分類，在外殼端口、病人耦合端口和信號端口都需要進(jìn)行靜電放電抗擾度測試。醫(yī)療電氣設(shè)備運(yùn)行時需要保證操作者及患者的人身安全，還有在一些干燥地區(qū)的實(shí)地調(diào)查，第四版對ESD測試等級做了提高：接觸放電等級從±6KV提高到±8KV，空氣放電等級從±8KV提高到±15KV，這個變化對一些醫(yī)療電氣設(shè)備特別是對ESD敏感的設(shè)備影響很大，如何提高產(chǎn)品的靜電抗擾度和質(zhì)量也被提上了日程。

2.靜電放電干擾原理

圖1. 標(biāo)準(zhǔn)ESD發(fā)生器的簡化框圖

圖2. 接觸放電電流波形

2.1 標(biāo)準(zhǔn)ESD發(fā)生器原理框圖

國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2：2008對標(biāo)準(zhǔn)ESD發(fā)生器的原理框圖進(jìn)行了定義，如圖（1）所示。

圖1中Cd是ESD發(fā)生器和環(huán)境之間的分布電容，Cs+Cd是儲能電容典型值為150pF，放電電阻Rd為330Ω，充電電阻Rc未提要求。

2.2 接觸放電電流波形

標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2：2008列出了標(biāo)準(zhǔn)靜電放電發(fā)生器在4KV理想狀況下的接觸放電電流波形，如圖（2）所示。

圖2中Ip表示電流峰值，計(jì)時的縱軸在脈沖上升沿的10%作為計(jì)時起點(diǎn)到90%為上升時間。靜電放電測試試驗(yàn)包括接觸放電和空氣放電，這兩種試驗(yàn)都會在待測件附近產(chǎn)生感應(yīng)電場，對待測件的影響也應(yīng)考慮。

3.靜電放電抗擾度整改對策

靜電放電抗擾度整改對策一般從下面幾個方面著手，即屏蔽、隔離、接地、提供能量泄放路徑、旁路保護(hù)、外殼設(shè)計(jì)、PCB及電纜設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)對策等。

3.1 屏蔽

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，對統(tǒng)計(jì)知識點(diǎn)難易程度進(jìn)行調(diào)查，按照容易、一般、較難及很難4個等級，分別賦予分值1、2、3、4。按專業(yè)進(jìn)行分析，計(jì)算不同專業(yè)學(xué)生對各項(xiàng)內(nèi)容評分的平均分（見表1）。由表1可知，所有專業(yè)學(xué)生對統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)內(nèi)容評分最高的為t分布、t檢驗(yàn)、u檢驗(yàn)（z檢驗(yàn)），平均分為2.93分；其次為方差分析，平均分為2.64分。

所謂屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т朋w的封閉面將內(nèi)外兩側(cè)空間進(jìn)行的電磁性隔離。金屬屏蔽體對電磁場的屏蔽原理主要是反射和吸收作用。對靜電放電電磁脈沖場的屏蔽應(yīng)為電磁屏蔽，屏蔽體材料既要有較好的電導(dǎo)率，同時還要有較好的磁導(dǎo)率，通常采用組合屏蔽，可采用鐵鍍銅或鐵鍍銅再鍍銀等。單層屏蔽層厚度不能滿足要求時，還可以采用雙層屏蔽，兩層之間必須隔離絕緣。通常內(nèi)屏蔽及印制板電路板浮地，必要時內(nèi)屏蔽可以采用靜電接地，外屏蔽體必須有效地接地。由于靜電放電產(chǎn)生的電磁脈沖場具有寬頻帶特性，這就意味著它能通過較小的孔縫耦合到屏蔽體內(nèi)，對內(nèi)部電子線路形成干擾。因此要求屏蔽體有較高的屏蔽完整性。由于電源及信號的輸入輸出或散熱等的需要，電子設(shè)備總會出現(xiàn)一些孔縫，這樣就破壞了屏蔽體的完整性，對此應(yīng)采取相應(yīng)措施。對于孔洞可用金屬帽、金屬網(wǎng)、鑿孔金屬板蓋上，為了保證良好接觸即減小縫隙，應(yīng)清除絕緣涂覆層，可用螺釘、螺栓或鉚釘?shù)染o固，加彈性墊片或EMI型襯墊。

3.2 絕緣隔離

對于不接地設(shè)備，隔離是提高靜電抗擾度的最好方法。在被測物品表面涂上或貼上一層絕緣能力大于15KV的絕緣材料，絕緣外殼與內(nèi)部電路間應(yīng)留有大于2cm的空氣間隙，避免靜電荷注入到內(nèi)部電路中，空間距離的增大意味著增大了寄生電容，有助于減小靜電電荷的注入，被測試物外殼上的絕緣材料有助于消耗靜電釋放的能量。

3.3 接地

電子設(shè)備外殼和主板邊沿元器件接近時，靜電泄放到電路內(nèi)部的可能性很大，此時需要將靜電引導(dǎo)到主板的地上，或者接到主板地的金屬屏蔽體上，盡量避免靜電對電子元器件或主板線路放電而引起電子設(shè)備失效。

3.4 提供能量泄放路徑

靜電放電可通過電壓限制、電流限制、高通濾波、帶通濾波等方式實(shí)現(xiàn)能量泄放及衰減，使外來脈沖泄放到電源或地，從而起到保護(hù)器件的目的。在ESD電流流過的地方提供泄放通路，對于金屬外殼接插件，由于金屬外殼距離信號芯線僅2.2mm，金屬外殼上的靜電干擾可通過信號芯線進(jìn)入內(nèi)部電路，所以，要抑制進(jìn)入電路的干擾信號，主要是接地泄放，使靜電電荷盡快泄放到靜電容量較大的載體上去。

3.5 旁路保護(hù)

所謂旁路保護(hù)，是在被保護(hù)對象之前并聯(lián)一組保護(hù)電路或器件，當(dāng)電路中出現(xiàn)因電磁脈沖耦合產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓時，保護(hù)電路先行擊穿，吸收電磁脈沖的大部分能量并轉(zhuǎn)化為其他形式，將被保護(hù)元器件兩端的電壓控制在其能承受的范圍內(nèi)。靜電放電瞬態(tài)電磁脈沖源的特點(diǎn)是：上升沿極陡，頻譜極寬；幅值很高；作用時間短，峰值功率很大。因此，瞬態(tài)電磁脈沖引起的過電壓保護(hù)器件必須有極快的響應(yīng)速度、較高的耐壓能力和較大的通流量，同時還應(yīng)具有自恢復(fù)能力。

瞬態(tài)抑制：瞬態(tài)抑制二極管（TVS）是一種常用的元器件，對ESD和浪涌干擾能提供快速有效的保護(hù)，可在重要元器件的輸入端或接口電路（如RS232接口、RS485接口、USB接口等）加瞬態(tài)抑制二極管。

圖3. TVS典型應(yīng)用電路

TVS的應(yīng)用電路見圖3。

3.6 外殼設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的靜電抗擾性與設(shè)備本身的搭接情況密切相關(guān)。機(jī)殼導(dǎo)電性越好，搭接得越好，靜電泄放的速度就越快，靜電干擾對產(chǎn)品的影響就越小，產(chǎn)品的靜電抗干擾性就越高。（1）工作地、保護(hù)地和機(jī)殼接地應(yīng)單獨(dú)引線到接地樁或接地匯集線上；而對于射頻組件，外殼應(yīng)作為工作地使用。（2）機(jī)殼應(yīng)與內(nèi)部電路（包括地線）隔離一定的距離。（3）金屬零件應(yīng)避免有尖銳的邊緣，避免引起二次電弧。（4）機(jī)殼的暴露面涂覆絕緣漆（搭接處不涂）。

3.7 PCB及電纜設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)在提高系統(tǒng)的ESD抗擾特性中起著重要的作用。PCB上的走線是ESD產(chǎn)生EMI的發(fā)射天線，為了把這些天線的耦合降低，線要求盡可能地短，包圍的面積盡可能地小。同時，當(dāng)元件沒有均勻遍布一塊大板的整個區(qū)域時，共模耦合得到了增強(qiáng)。使用多層板或地線網(wǎng)格減小耦合，也能抑制共模輻射噪聲。PCB接地面積越大越好，PCB的接地線需要低阻抗且要有良好的隔離。在電源和地之間放置高頻旁路電容，電源與地越接近越好，電源、地布局在板中間比四周好。盡量避免在保護(hù)線附近走比較關(guān)鍵的信號線，走線越短越好；將復(fù)位、中斷、控制信號遠(yuǎn)離輸入/輸出口，遠(yuǎn)離PCB邊緣；信號線越接近地線越好。盡量將接口安排在同一個邊上。

一個正確設(shè)計(jì)的電纜保護(hù)系統(tǒng)可能是提高系統(tǒng)非敏感性的關(guān)鍵。作為大多數(shù)系統(tǒng)中的最大的天線，電纜特別易于被EMI感應(yīng)出大的電壓或電流。從另一方面，電纜提供低阻抗通道，如果電纜屏蔽同機(jī)殼地連接可間接地避免傳導(dǎo)耦合。為減少輻射EMI耦合到電纜，線長和回路面積要減小，應(yīng)抑制共模耦合并且使用金屬屏蔽。在電纜的兩端，電纜屏蔽必須與殼體屏蔽連接。

3.8 軟件設(shè)計(jì)對策

軟件ESD抑制措施有兩種常用的類型：刷新、檢查及恢復(fù)。刷新涉及到周期性地復(fù)位到休止?fàn)顟B(tài)，并且刷新顯示器和指示器狀態(tài)。只需進(jìn)行一次刷新后假設(shè)狀態(tài)是正確的，其他的事就可以不做了。檢查過程用于決定程序是否正確執(zhí)行，他們在一定間隔時間被激活，以確認(rèn)程序是否在完成某個功能。如果這些功能沒有實(shí)現(xiàn)，一個恢復(fù)程序就被激活。

4.結(jié)論

本文主要針對現(xiàn)階段醫(yī)療設(shè)備ESD試驗(yàn)等級的變化做出了分析，并提出了幾個常用的整改措施，可以總結(jié)為24字方針：靜電屏蔽，濾波去耦，絕緣隔離，接地泄放，良好搭接，瞬態(tài)抑制。如果做好這幾點(diǎn)，相信產(chǎn)品的ESD抗擾度會提高很多，產(chǎn)品可靠性也會有較大提升。

[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] 馬士平.IEC 60601-1-2第四版標(biāo)準(zhǔn)解析[J].標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用, 2015.

[4] 楊克俊. 電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社, 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

趙常昊，碩士，工程師，研究方向：醫(yī)療電氣設(shè)備。