无外接电源医疗设备静电问题处理方法分析

张 涛 杨 雄 赵 阳 周孟夏 夏 清

（南京师范大学江苏省电气装备电磁兼容工程实验室，南京 210043）

无外接电源医疗设备静电问题处理方法分析

张 涛 杨 雄 赵 阳 周孟夏 夏 清

（南京师范大学江苏省电气装备电磁兼容工程实验室，南京 210043）

电磁兼容标准YY0505-2012在医疗器械行业执行后，医疗设备的电磁兼容问题得到极大关注，其中静电防护方面形成了一些常见的经验性的措施，如用金属外壳罩住并接地进行屏蔽、在片上使用防ESD器件等。然而，很少涉及在无外接电源情况下的研究，本文针对无外接电源情况下医疗设备的静电防护问题做了探索和分析，提出了三项整改措施，并结合整改案例进行分析。整改结果表明，本文提出的三种ESD防护措施具有实用性，对ESD防护措施研究具有一定参考价值。

无外接电源；静电干扰模型；ESD防护措施；整改分析

如今，人们已经普遍意识到静电放电（即ESD）会对电子设备的正常工作以及接触工作中的电子设备的工作人员带来极大的干扰和损害，因此，设备制造方在设计电子设备的时候，会针对静电放电采取充分的防护措施，且电子设备必须通过相关检测才能投入生产使用[1]。静电放电主要对电子设备的电源、接地、输入端口、输出端口、半导体器件等方面造成干扰，使设备不能正常工作。在做ESD防护措施时，主要从工艺结构、机壳、屏蔽、接地、布线、器件选择等方面考虑[2-5]。目前具体的 ESD防护措施一般有[6-7]：

1）屏蔽：在电子设备的电路板外部用一个金属外壳板形成静电屏蔽，金属外壳镀绝缘漆以防止人体静电流入外壳，外壳接地。使用屏蔽线缆，防止静电通过传导耦合形成干扰。

2）接地：将电路板和芯片接虚拟地，形成等电位。将外壳接地，以泄放积累的静电荷。工作太接地，工作人员戴静电防护手腕，手腕连好接地等。

3）绝缘：工作人员穿戴绝缘材料的衣物、手套和鞋帽等。设备外壳使用塑胶壳。

4）片上使用 ESD防护器件：使用陶瓷电容、肖特基二极管和TVS管等进行稳压。

医疗设备静电放电抗干扰度的测试标准参照YY0505-2012中的3级标准，即设备需要通过6kV的接触放电测试和8kV的空气放电。无外接电源的医疗设备由于没有对地泄放电荷的路径，情况特殊，现在这方面的文献和案例比较少，本文就该问题进行探讨。

1 静电放电的形成机理及等效模型

1.1 静电放电的形成机理

静电即相对静止的电荷，产生静电的原因有两种，即摩擦起电和感应起电。两个绝缘体相互摩擦，导致一个绝缘体带静电另一个绝缘体带负电的现象就是摩擦起电。将电中性的导体置于电场中使得导体内部电荷移动与电场形成电荷平衡而带静电的现象就是感应起电。带有不同静电荷量物体具有不同的静电电位，当具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触时，会引起电荷移动，形成电流，这个过程称为静电放电，也即ESD。产生静电放电的方式主要有两种，即接触放电和气隙放电。静电放电过程中，电流是变化的，表达式如下：

1.2 静电放电的等效电路模型

静电放电可以等效成四种电路模型：人体放电模型、机器放电模型、组件放电模型、电场感应模型。本文主要介绍人体模型与机器模型。人体模型反应的是医疗设备在使用过程中使用者所带静电对设备放电的现象。当人体接触电子设备时导致ESD的时用人体模型来描述，等效电路如图1（a）所示，模拟带电人体的电路元件是一个100pF的电容器串联一个1500Ω的电阻。机器模型反应的是ESD测试时静电枪对设备放电的过程。电子设备静电放电抗干扰度检测过程中，静电枪向电子设备打静电时用机器模型来描述，等效电路如图1（b）所示，模拟器件是一个200pF的电容器，等效电阻为0Ω。

图1 静电放电的两种等效模型

2 无外接电源医疗设备的防ESD技术及整改案例分析

本文针对的是无外接电源医疗设备的 ESD问题，现以一款无外接电源医疗设备ESD问题的成功整改作为案例进行详细分析。未对案例中的设备做任何整改措施时，静电枪测试设备的金属外壳、屏幕、端口裸露金属、螺丝钉等部位，设备都不能正常工作，如图2所示，各指示灯正常亮，但屏幕没有显示。

图2 无措施时的测试结果

通过观察，发现产品无外接电源，外部用金属壳进行屏蔽，但未良好接地，金属壳各板之间没有导通，显示屏未做ESD防护措施，外部端口是裸露的金属，电路板没有专门的ESD防护器件。整改过程中，主要采取了3个措施，后文将详解。

2.1 壳体等电位处理

图3 静电枪测试设备外壳时的示意图

静电枪在设备的外壳进行ESD测试时的如图3（a）所示，静电枪放出的电荷积累在设备的金属外壳上，对设备内部的芯片形成感应电压E对芯片造成干扰。对（a）图进行简化，可得到（b）图所示的等效模型，静电荷形成的感应电压用一个两端电压为 U的电容表示，因此可得到（c）图所示的静电测试等效电路，且感应电压U与金属壳上积累的电荷量Q和等效电容C之间有如下关系：

由上式可知，可以通过减小电荷量Q和增大感应电容C减小感应电压U，而要改变感应电压C比较麻烦，需要对壳体做较大变化，不可取。因此，本文从减小电荷量Q着手提出整改措施，而视C为定值。将金属外壳接地，将电荷泄放到地当然是最好的办法，然而设备无外接电源，外壳上的电荷没有泄放途径。前面已知，该设备金属外壳各面的金属板之间是由绝缘漆隔离的，并没有导通，因此静电枪测试时，电荷主要聚集在静电枪所打的面板上。于是本文将金属外壳通过铜膜和铜线将整个金属外壳导通，螺丝金属连接器件也导通，连接点处的绝缘漆刮掉，如图4所示。这样，金属外壳完全导通，单面金属壳上分布的电荷量Q减小了，对芯片的感应电压U也随之减小了，且相对方向面板感应出来的感应电压有抵消作用，也有助于感应电压U。

图4 壳体等电位处理措施

2.2 PCB电源防ESD处理

ESD事件形成的瞬态过冲电压和过冲电流传播时会耦合到相邻的到线上，包括电源线、数据线和时钟信号线，会严重危害片上的芯片和半导体器件。其等效电路模型是机器模型，如图1（b）所示。

TVS静电抑制器是一种双向的稳压管，对属于限压型保护器件，脉冲骚扰具有良好的抑制能力，适合用于ESD防护和浪涌防护。它的伏安特性如图5所示，当TVS两极的电压超过其最大峰值电压即钳位电压VBR时，其内的齐纳二极管被击穿，使得器件两端的电压稳定在峰值电压附近，而ESD产生的脉冲电流被泄放掉。

图5 TVS的伏安特性

当TVS承受正向电压时，其等效电路图如图6（a）所示，有内阻和分布电容以及分布电感。当TVS承受反向电压时，其等效电如图7所示。

图6 TVS的等效电路

将TVS的分布电感、分布电容以及内阻等参数简化等效成一个分布阻抗元件，则可得到TVS工作时简化的等效电路模型，如图7所示，Rg是电源内阻，TVS并联在电源两端，其中电源内阻Rg、TVS静电抑制器的分布阻抗Rs以及负载RL之间满足Rg＞Rs+RL＞Rs这一关系。

图7 TVS在PCB板工作时的等效电路

根据环路电压分析法可由电路模型图得到在电源两端并联TVS后PCB板负载两端的电压：

本文在产品的PCB板电源处以及片上芯片的电源处并接TVS静电抑制器和电容器，以稳定片上供电电压，TVS静电抑制器的钳位电压大小和电容值的大小视并联处的额定电压而定。具体措施如图 8所示。

图8 PCB电源的ESD防护措施

静电测试时的 ESD干扰芯片的示意图如图 9（a）所示，ESD产生的电流IESD超过PCB板的上限电流，涌入PCB板后导致芯片不能正常工作。加了TVS后进行ESD测试时的示意图如图9（b）所示，TVS将PCB板的电源电压稳定在VL附近，使得流入芯片的电流在正常范围内。

图9 ESD测试干扰芯片的示意图

2.3 外部信号端口防ESD处理

电子设备的外部信号端口常常裸露着金属，当进行ESD干扰度测试的时候，静电枪向端口放电常常造成电子设备不能造成工作，如灯光闪烁、显示屏显示乱码或黑屏。本次整改中，对产品外部信号端口未采取任何措施时，测试过程中显示屏不能正常工作。静电枪对信号端口放电也可以等效成ESD的机器模型，如图1（b）所示。其过冲电流耦合到信号线和数据线流通到片上，干扰芯片的正常工作，其示意图如图10（a）、（c）所示。

因此，本文整改的方案是给信号端口套上绝缘材料，阻隔静电枪对设备的放电路径，具体措施如图11所示。

图10 静电枪测试外部信号端口时的示意图

图11 外部信号端口的ESD防护措施

加了措施后ESD测试时的示意图如图11（b）、（d）所示，由于绝缘材料阻隔了ESD的干扰路径，绝缘材料的等效电阻趋于无穷大，耦合到片上的干扰电压U大大降低，接近于零。

2.4 整改结果及分析

电子电路的医疗设备的 ESD问题不外乎从壳体、PCB电路的电源、外部信号端口三方面考虑，这是静电放电的主要途径。静电测试时静电枪主要对设备壳体、外部裸露金属放电，因此，上述3个措施对解决ESD问题是完备的。一般情况下，进行ESD防护需要考虑到电子设备的各个部位，不同部位采取不同措施，因此，以上3个措施须结合使用，若只采取一两项措施，电子设备是很难通过测试的。如图12所示，是本次整改未加全措施时的ESD测试情况，虽然显示屏能显示了，但仍然有乱码。结合采取了3个措施后，任凭静电枪测试，设备都能正常工作了，如图13所示。

图12 措施不全时ESD测试结果

图13 结合3项措施时ESD测试结果

3 结论

本文结合实际的整改案例，提出了3种无外接电源医疗设备的ESD防护措施：

1）通过铜膜使金属外壳形成等电位，目的是屏蔽外来的ESD。虽然金属外壳上的电荷没有外接电源这一泄放路径，但是这一措施对防护ESD也有良好的效果。

2）在片上的电源处并联TVS静电抑制器，TVS具有稳压功能，能将 ESD过冲电压降低下来，使PCB板及其上面芯片的电源电压维持在正常范围内。

3）给设备外部的信号端口套上绝缘材料，阻隔ESD过冲电流流入片内。

事实证明，以上3种措施能对无外接电源医疗设备进行ESD防护，使其通过ESD抗干扰度检测，得以正常生产使用。

[1]赵阳,封志明,黄学军.电磁兼容测试方法与工程应用[M].北京:电子工业出版社,2010.

[2]赵阳,See KY.电磁兼容基础与应用(英文版)[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3]姜宁秋,赵阳,尹海平,等.电磁兼容中的抗静电研究及其在汽车CAN总线控制系统中的应用[J].南京师范大学学报(工程技术版),2008,8(2):10-14.

[4]罗广孝,崔翔,张卫东,等.TVS静电抑制器等效电路参数估算及应用[J].中国电机工程学报,2013,33(16):204-211,前插26.

[5]黎莫清,周小武.TVS器件特性参数分析及应用[J].现代电子技术,2013,36(16):127-130.

[6]张聪凌.ESD防护器件的电路级仿真及建模[D].浙江:浙江大学,2008.

[7]崔强.集成电路中ESD防护研究[D].浙江:浙江大学,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

张 涛（1990-），男，在读硕士研究生，研究方向为电磁兼容技术与应用。

江苏省自然科学基金（BK2011789）

江苏省教育厅高校科研成果产业化推进项目（JHB2011-20）