無(wú)外接電源醫(yī)療設(shè)備靜電問(wèn)題處理方法分析

張 濤 楊 雄 趙 陽(yáng) 周孟夏 夏 清

（南京師范大學(xué)江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210043）

無(wú)外接電源醫(yī)療設(shè)備靜電問(wèn)題處理方法分析

張 濤 楊 雄 趙 陽(yáng) 周孟夏 夏 清

（南京師范大學(xué)江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210043）

電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)YY0505-2012在醫(yī)療器械行業(yè)執(zhí)行后，醫(yī)療設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題得到極大關(guān)注，其中靜電防護(hù)方面形成了一些常見(jiàn)的經(jīng)驗(yàn)性的措施，如用金屬外殼罩住并接地進(jìn)行屏蔽、在片上使用防ESD器件等。然而，很少涉及在無(wú)外接電源情況下的研究，本文針對(duì)無(wú)外接電源情況下醫(yī)療設(shè)備的靜電防護(hù)問(wèn)題做了探索和分析，提出了三項(xiàng)整改措施，并結(jié)合整改案例進(jìn)行分析。整改結(jié)果表明，本文提出的三種ESD防護(hù)措施具有實(shí)用性，對(duì)ESD防護(hù)措施研究具有一定參考價(jià)值。

無(wú)外接電源；靜電干擾模型；ESD防護(hù)措施；整改分析

如今，人們已經(jīng)普遍意識(shí)到靜電放電（即ESD）會(huì)對(duì)電子設(shè)備的正常工作以及接觸工作中的電子設(shè)備的工作人員帶來(lái)極大的干擾和損害，因此，設(shè)備制造方在設(shè)計(jì)電子設(shè)備的時(shí)候，會(huì)針對(duì)靜電放電采取充分的防護(hù)措施，且電子設(shè)備必須通過(guò)相關(guān)檢測(cè)才能投入生產(chǎn)使用[1]。靜電放電主要對(duì)電子設(shè)備的電源、接地、輸入端口、輸出端口、半導(dǎo)體器件等方面造成干擾，使設(shè)備不能正常工作。在做ESD防護(hù)措施時(shí)，主要從工藝結(jié)構(gòu)、機(jī)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(hù)措施一般有[6-7]：

1）屏蔽：在電子設(shè)備的電路板外部用一個(gè)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(guò)傳導(dǎo)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(hù)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(shè)備外殼使用塑膠殼。

4）片上使用 ESD防護(hù)器件：使用陶瓷電容、肖特基二極管和TVS管等進(jìn)行穩(wěn)壓。

醫(yī)療設(shè)備靜電放電抗干擾度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照YY0505-2012中的3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即設(shè)備需要通過(guò)6kV的接觸放電測(cè)試和8kV的空氣放電。無(wú)外接電源的醫(yī)療設(shè)備由于沒(méi)有對(duì)地泄放電荷的路徑，情況特殊，現(xiàn)在這方面的文獻(xiàn)和案例比較少，本文就該問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 靜電放電的形成機(jī)理及等效模型

1.1 靜電放電的形成機(jī)理

靜電即相對(duì)靜止的電荷，產(chǎn)生靜電的原因有兩種，即摩擦起電和感應(yīng)起電。兩個(gè)絕緣體相互摩擦，導(dǎo)致一個(gè)絕緣體帶靜電另一個(gè)絕緣體帶負(fù)電的現(xiàn)象就是摩擦起電。將電中性的導(dǎo)體置于電場(chǎng)中使得導(dǎo)體內(nèi)部電荷移動(dòng)與電場(chǎng)形成電荷平衡而帶靜電的現(xiàn)象就是感應(yīng)起電。帶有不同靜電荷量物體具有不同的靜電電位，當(dāng)具有不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸時(shí)，會(huì)引起電荷移動(dòng)，形成電流，這個(gè)過(guò)程稱為靜電放電，也即ESD。產(chǎn)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(guò)程中，電流是變化的，表達(dá)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(jī)器放電模型、組件放電模型、電場(chǎng)感應(yīng)模型。本文主要介紹人體模型與機(jī)器模型。人體模型反應(yīng)的是醫(yī)療設(shè)備在使用過(guò)程中使用者所帶靜電對(duì)設(shè)備放電的現(xiàn)象。當(dāng)人體接觸電子設(shè)備時(shí)導(dǎo)致ESD的時(shí)用人體模型來(lái)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(gè)100pF的電容器串聯(lián)一個(gè)1500Ω的電阻。機(jī)器模型反應(yīng)的是ESD測(cè)試時(shí)靜電槍對(duì)設(shè)備放電的過(guò)程。電子設(shè)備靜電放電抗干擾度檢測(cè)過(guò)程中，靜電槍向電子設(shè)備打靜電時(shí)用機(jī)器模型來(lái)描述，等效電路如圖1（b）所示，模擬器件是一個(gè)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(wú)外接電源醫(yī)療設(shè)備的防ESD技術(shù)及整改案例分析

本文針對(duì)的是無(wú)外接電源醫(yī)療設(shè)備的 ESD問(wèn)題，現(xiàn)以一款無(wú)外接電源醫(yī)療設(shè)備ESD問(wèn)題的成功整改作為案例進(jìn)行詳細(xì)分析。未對(duì)案例中的設(shè)備做任何整改措施時(shí)，靜電槍測(cè)試設(shè)備的金屬外殼、屏幕、端口裸露金屬、螺絲釘?shù)炔课?，設(shè)備都不能正常工作，如圖2所示，各指示燈正常亮，但屏幕沒(méi)有顯示。

圖2 無(wú)措施時(shí)的測(cè)試結(jié)果

通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品無(wú)外接電源，外部用金屬殼進(jìn)行屏蔽，但未良好接地，金屬殼各板之間沒(méi)有導(dǎo)通，顯示屏未做ESD防護(hù)措施，外部端口是裸露的金屬，電路板沒(méi)有專門(mén)的ESD防護(hù)器件。整改過(guò)程中，主要采取了3個(gè)措施，后文將詳解。

2.1 殼體等電位處理

圖3 靜電槍測(cè)試設(shè)備外殼時(shí)的示意圖

靜電槍在設(shè)備的外殼進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)的如圖3（a）所示，靜電槍放出的電荷積累在設(shè)備的金屬外殼上，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的芯片形成感應(yīng)電壓E對(duì)芯片造成干擾。對(duì)（a）圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得到（b）圖所示的等效模型，靜電荷形成的感應(yīng)電壓用一個(gè)兩端電壓為 U的電容表示，因此可得到（c）圖所示的靜電測(cè)試等效電路，且感應(yīng)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(guān)系：

由上式可知，可以通過(guò)減小電荷量Q和增大感應(yīng)電容C減小感應(yīng)電壓U，而要改變感應(yīng)電壓C比較麻煩，需要對(duì)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(dāng)然是最好的辦法，然而設(shè)備無(wú)外接電源，外殼上的電荷沒(méi)有泄放途徑。前面已知，該設(shè)備金屬外殼各面的金屬板之間是由絕緣漆隔離的，并沒(méi)有導(dǎo)通，因此靜電槍測(cè)試時(shí)，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(guò)銅膜和銅線將整個(gè)金屬外殼導(dǎo)通，螺絲金屬連接器件也導(dǎo)通，連接點(diǎn)處的絕緣漆刮掉，如圖4所示。這樣，金屬外殼完全導(dǎo)通，單面金屬殼上分布的電荷量Q減小了，對(duì)芯片的感應(yīng)電壓U也隨之減小了，且相對(duì)方向面板感應(yīng)出來(lái)的感應(yīng)電壓有抵消作用，也有助于感應(yīng)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(tài)過(guò)沖電壓和過(guò)沖電流傳播時(shí)會(huì)耦合到相鄰的到線上，包括電源線、數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘信號(hào)線，會(huì)嚴(yán)重危害片上的芯片和半導(dǎo)體器件。其等效電路模型是機(jī)器模型，如圖1（b）所示。

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

圖5 TVS的伏安特性

當(dāng)TVS承受正向電壓時(shí)，其等效電路圖如圖6（a）所示，有內(nèi)阻和分布電容以及分布電感。當(dāng)TVS承受反向電壓時(shí)，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(nèi)阻等參數(shù)簡(jiǎn)化等效成一個(gè)分布阻抗元件，則可得到TVS工作時(shí)簡(jiǎn)化的等效電路模型，如圖7所示，Rg是電源內(nèi)阻，TVS并聯(lián)在電源兩端，其中電源內(nèi)阻Rg、TVS靜電抑制器的分布阻抗Rs以及負(fù)載RL之間滿足Rg＞Rs+RL＞Rs這一關(guān)系。

圖7 TVS在PCB板工作時(shí)的等效電路

根據(jù)環(huán)路電壓分析法可由電路模型圖得到在電源兩端并聯(lián)TVS后PCB板負(fù)載兩端的電壓：

本文在產(chǎn)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(wěn)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(lián)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(hù)措施

靜電測(cè)試時(shí)的 ESD干擾芯片的示意圖如圖 9（a）所示，ESD產(chǎn)生的電流IESD超過(guò)PCB板的上限電流，涌入PCB板后導(dǎo)致芯片不能正常工作。加了TVS后進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)的示意圖如圖9（b）所示，TVS將PCB板的電源電壓穩(wěn)定在VL附近，使得流入芯片的電流在正常范圍內(nèi)。

圖9 ESD測(cè)試干擾芯片的示意圖

2.3 外部信號(hào)端口防ESD處理

電子設(shè)備的外部信號(hào)端口常常裸露著金屬，當(dāng)進(jìn)行ESD干擾度測(cè)試的時(shí)候，靜電槍向端口放電常常造成電子設(shè)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(duì)產(chǎn)品外部信號(hào)端口未采取任何措施時(shí)，測(cè)試過(guò)程中顯示屏不能正常工作。靜電槍對(duì)信號(hào)端口放電也可以等效成ESD的機(jī)器模型，如圖1（b）所示。其過(guò)沖電流耦合到信號(hào)線和數(shù)據(jù)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(hào)端口套上絕緣材料，阻隔靜電槍對(duì)設(shè)備的放電路徑，具體措施如圖11所示。

圖10 靜電槍測(cè)試外部信號(hào)端口時(shí)的示意圖

圖11 外部信號(hào)端口的ESD防護(hù)措施

加了措施后ESD測(cè)試時(shí)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(wú)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(jié)果及分析

電子電路的醫(yī)療設(shè)備的 ESD問(wèn)題不外乎從殼體、PCB電路的電源、外部信號(hào)端口三方面考慮，這是靜電放電的主要途徑。靜電測(cè)試時(shí)靜電槍主要對(duì)設(shè)備殼體、外部裸露金屬放電，因此，上述3個(gè)措施對(duì)解決ESD問(wèn)題是完備的。一般情況下，進(jìn)行ESD防護(hù)需要考慮到電子設(shè)備的各個(gè)部位，不同部位采取不同措施，因此，以上3個(gè)措施須結(jié)合使用，若只采取一兩項(xiàng)措施，電子設(shè)備是很難通過(guò)測(cè)試的。如圖12所示，是本次整改未加全措施時(shí)的ESD測(cè)試情況，雖然顯示屏能顯示了，但仍然有亂碼。結(jié)合采取了3個(gè)措施后，任憑靜電槍測(cè)試，設(shè)備都能正常工作了，如圖13所示。

圖12 措施不全時(shí)ESD測(cè)試結(jié)果

圖13 結(jié)合3項(xiàng)措施時(shí)ESD測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際的整改案例，提出了3種無(wú)外接電源醫(yī)療設(shè)備的ESD防護(hù)措施：

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

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

3）給設(shè)備外部的信號(hào)端口套上絕緣材料，阻隔ESD過(guò)沖電流流入片內(nèi)。

事實(shí)證明，以上3種措施能對(duì)無(wú)外接電源醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行ESD防護(hù)，使其通過(guò)ESD抗干擾度檢測(cè)，得以正常生產(chǎn)使用。

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[2]趙陽(yáng),See KY.電磁兼容基礎(chǔ)與應(yīng)用(英文版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3]姜寧秋,趙陽(yáng),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(tǒng)中的應(yīng)用[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2008,8(2):10-14.

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[7]崔強(qiáng).集成電路中ESD防護(hù)研究[D].浙江:浙江大學(xué),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?yàn)殡姶偶嫒菁夹g(shù)與應(yīng)用。

江蘇省自然科學(xué)基金（BK2011789）

江蘇省教育廳高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目（JHB2011-20）