施罗德电磁兼容在医疗器械中的应用

1.1静电放电对被测设备的影响

根据静电放电对设备造成后果的严重程度，一般可分为两种情况 ：一是长期的损坏，通过直接放电，引起设备中半导体器件的损坏，造成设备的长期失效，例如由于静电放电电流产生热量导致设备的热失效，或者由于静电放电感应出高的电压导致绝缘击穿；二是由于直接放电或间接放电而引起电磁场变化，造成设备某一模块被干扰，设备发生误动作，不能保持基本性能，例如仪器表面按键失灵等。

为了找到整改思路，需要从原理角度分析静电放电对设备的干扰。一般来说，这种干扰分为传导和辐射两种途径。

（1）传导方式是一种直接的电荷泄放方式。出现这种情况时，设备外壳放电点与设备内部形成一条完整的放电路径，电流流入设备内部信号端，造成电路功能异常。由于产品内部本身存在设计缺陷，恰好为静电放电产生的电荷提供了一条泄放至内部电路的路径，并且这条路径的阻抗较小。当上述情况同时存在时，通过泄放路径进入内部电路和关键元器件的电流很大，有可能会造成元器件损坏。

（2）辐射方式是一种较为间接的干扰方式。由于静电放电本身包含高频成分的尖峰电流，在很短时间内发生较大的电流变化，能够在附近电路的各个信号环路中感应出干扰电动势。当被测设备存在设计缺陷时，在某个环路中产生的干扰电动势很可能超过了逻辑电路的阈值电平，引起误触发，导致电路误动作。由于辐射的大小取决于与放电点的距离，如果放电点离被测设备核心元器件较近，电场强度会很大，可能对设备造成影响。一般情况下，传导方式的静电干扰对设备的影响更猛烈，容易造成设备损坏，而辐射方式的静电干扰容易造成设备误动作。

1.2静电放电的整改方向

从静电电荷产生和对设备造成影响的角度考虑，必须从源头入手，控制电荷积聚，一旦有过量电荷就及时泄放，防止危险静电源的形成，另外对于无法泄放的静电电荷，要将其隔离，阻止干扰到关键电路。根据实际测试中设备整改的情况，将整改分为外部防护和内部电路防护两个方向。

1.2.1外部防护

从 GB/T 17626.2-2018 标准中规定的放电点进行考虑，一般设备外部防护的范围包括外壳、面板、显示屏、外部电缆等。

1.2.2外壳

外壳分为金属材质和非金属材质两种，对于静电防护不同材质有着不同的处理思路。

（1）非金属外壳：优点是外壳绝缘，一般情况下不会有电荷透过。缺点是如果设备内部电路与外壳距离过近，或者外壳太薄，静电都有可能透过外壳对内部电路造成影响。对于此类设备，着重考虑电荷通过孔隙来流入设备内部，所以可以对孔隙部分加强绝缘，也可将外壳喷涂导电漆等材料，然后再将裸露的金属端子等可直接接触到的金属部位接地。或者在外壳中放置一个金属的屏蔽体，这种设计的好处是可以屏蔽来自外界的静电干扰，同时在操作者对外壳的孔隙放电时，给静电电荷提供一个泄放通道，防止对内部电路造成损坏。

（2）金属外壳：优点是对表面进行接触放电时，大部分电荷可以直接由接地端子流走。但由于金属外壳在静电放电时可能对内部电路产生传导耦合，从而影响设备正常工作。对金属外壳而言，外壳各部分之间的搭接非常重要。若机箱两部分之间的搭接阻抗较高，当静电放电流过搭接点时会产生电压降，这个电压降会驱动干扰电流流向内部电路，影响电路的正常工作。为避免这个电压降或者减小其产生的危害，一般尽量使外壳保持完整和导电连续，尽量减少搭接阻抗。

1.2.3面板、显示屏

针对面板，主要考虑的是将电荷隔离在外部。面板尽量采用耐高压的薄膜绝缘材料制作，同时注意避免缝隙，就可有效防止静电电荷通过面板或按键进入内部电路产生干扰。显示屏应考虑采用透明屏蔽材料进行保护，同时确保屏蔽材料与设备外壳接地点之间有良好的电接触，可以及时泄放静电电荷。

1.2.4外部电缆

外部电缆主要包括电源线、信号线等操作者可触摸到的线缆。整改思路是更换屏蔽性能更好的线缆，或者采用铁氧体磁环缠绕的方式，对静电放电的感应电流进行屏蔽和消耗。理想的方式是，电缆采用屏蔽线，并且屏蔽层与外壳的大地连接，建立电荷对地泄放路径。

1.2.5内部电路防护

对于内部电路，防护的主要思路如下 ：首先确定电流泄放路径，检查此条路径是否通畅，确保积聚电荷及时泄放。其次确定泄放途径附近是否有重要的信号线，若有可改变走线方式，远离放电路径，或者在信号线上增加磁环，尽量屏蔽静电泄放电流对信号线的影响。然后确定泄放途径附近是否有敏感电路，如复位电路、控制电路、音视频电路等，尽量用屏蔽材料加以隔离。

除此之外，可以直接选用一些典型的抗静电干扰元器件，对电路进行防护。对于直接传导的静电放电干扰，可以尝试在 I/O 接口处串联电阻或并联二极管至正负电源端。另外，在I/O 信号线进入设备外壳处安装一个对地的电容，能够将接口电缆上感应的静电放电电流分流到机箱上，避免流入电路，造成干扰。后文整改实例中采用的就是这种方式。

瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor， TVS）也能够对静电放电起到有效的保护作用。不过 TVS 只能抑制瞬态干扰的电压，不能滤除高频干扰成分，电路中一般配合增加与 TVS 并联的高频旁路电容，用于抑制高频干扰。

此外， PCB 板的走线对于静电防护也非常重要，这些走线相当于一根根互相耦合的天线。为了把这些天线的耦合降低， PCB 板上的线长要求尽可能的短，包围的环路面积尽可能小，考虑磁场对消原理。

磁通对消的本质就是信号回流路径的控制，具体示意图如下：

如何用右手定则来解释信号层与地层相邻时磁通对消效果，解释如下：

（1）当导线上有电流流过时，导线周围便会产生磁场，磁场的方向以右手定则来确定。

（2）当有两条彼此靠近且平行的导线，如下图3.2所示，其中一个导体的电流向外流出，另一个导体的电流向内流入，如果流过这两根导线的电流分别是信号电流和它的回流电流，那么这两个电流是大小相等方向相反的，所以它们的磁场也是大小相等，而方向是相反的，因此能相互抵消。

1.3整改实例

某品牌体外诊断设备，外壳为绝缘材质。静电放电测试的现象为 ：对显示屏、面板按键及外壳缝隙处进行空气放电 ±8 kV，机器出现异常，按键失效，显示屏显示异常，无法维持基本性能。

1.3.1分析一

针对显示屏，首先考虑电荷在此处积聚不能及时泄放而造成干扰。通过检查，显示屏已经做了接地处理，但接地线很长。其次，显示屏外部透明绝缘膜较薄，防护效果不好。

整改方法 ：在显示屏与外壳之间增加一块透明的绝缘材料（材质为丙烯酸玻璃）。同时，缩短显示屏接地线的长度。

整改效果 ：对显示屏进行空气放电 ±8 kV 复测，显示屏工作状况有改善。

1.3.2分析二

观察显示屏及其内部控制电路，发现显示屏和控制电路之间的信号线是一根较长的排线。排线在机器内部未经处理，与其他电路距离很近。整改方法 ：将排线折叠并固定在绝缘外壳处，远离其他电路模块及外壳缝隙等。

整改效果 ：对显示屏进行空气放电 ±8 kV 复测，显示屏工作正常。

1.3.3分析三

考虑电荷从外壳缝隙处进入内部电路，并造成按键失效。整改方法 ：使用绝缘材料，将外壳缝隙处与其临近内部电路之间互相隔离。

整改效果 ：对外壳缝隙处进行空气放电 ±8 kV 复测，与整改前相比，有一定改善。

1.3.4分析四

对按键进行静电放电时，按键失效，分析可能是静电电流干扰到了按键及显示部分控制电路，需要将电流分流泄放至大地，避免其对设备的干扰。整改方法 ：尝试在 I/O 接口和地之间并联二极管，并安装一个对地电容，将 I/O 接口处电缆感应的静电放电电流分流到大地上，避免流入电路造成干扰。

整改效果 ：对按键部位进行空气放电 ±8 kV 复测，机器正常运行，不再有异常。

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