電磁兼容測試中靜電放電整改方法解析

曾雪，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫療器械檢定所 光機電室，北京 102629

引言

靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）其實是一種自然現象。兩種不同的材料相互摩擦時，由于介電強度不同，就會產生靜電電荷。當其中一種材料上的靜電電荷積累到一定程度，在與另一個物體接觸時，就會通過這個物體到大地的阻抗而進行放電。靜電放電在日常生活中會對電子設備的正常工作產生極大的干擾和損害，使設備不能正常工作，也給接觸這些電子設備的工作人員帶來困擾[1]。例如，潔凈手術室的空調氣流經過層層過濾，凈化出口氣流是帶有靜電電荷的，手術室的潔凈度要求越高，靜電積聚可能越嚴重，對手術室中醫用電氣設備的抗干擾性能要求也更高。本文從靜電防護的原理入手，探討防護思路，結合實際整改案例進行介紹。

1 靜電放電的干擾機理

在GB/T4365-2003《電工術語 電磁兼容》中，靜電放電的定義為：“具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移”[2]。針對電氣和電子設備，依據我國目前現行有效的GB/T 17626.2-2018《電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》[3]（等同采用IEC 61000-4-2:2008），通過建立通用和可重現的基準，來評估設備受到靜電放電干擾時能否保持基本性能。在實際測試中，采用靜電放電發生器，模擬放電現象。靜電放電發生器的原理簡圖，見圖1。

圖1 靜電放電發生器放電原理圖

其中，在考慮了人的身高體型差異、與接地平面或地點位物體的接近程度、媒質介電常數等因素之后，人體電容的典型值為60～300 pF，而150 pF 為常用的平均值[4]。接地電阻代表了從人體（手部接觸端）到接收設備靜電放電的最壞情況下的阻抗，取值為330 Ω[4]。

為了模擬被測設備使用過程中有可能遇到的靜電現象，GB/T 17626.2-2018 標準中規定的靜電放電測試，分為直接放電和間接放電兩種方式。間接放電的原理是在一定空間范圍內產生指定強度的靜電場，考察被測設備在該靜電場中是否受到干擾。直接放電可以分為接觸放電和空氣放電，通過將靜電電荷直接施加到設備表面的方式，考察被測設備是否受到干擾。

2 靜電放電對被測設備的影響

根據靜電放電對設備造成后果的嚴重程度，一般可分為兩種情況：一是永久性損壞，通過直接放電，引起設備中半導體器件的損壞，造成設備的永久性失效，例如由于靜電放電電流產生熱量導致設備的熱失效，或者由于靜電放電感應出高的電壓導致絕緣擊穿[5]；二是由直接放電或間接放電而引起電磁場變化，造成設備某一模塊被干擾，設備發生誤動作，不能保持基本性能，例如儀器表面按鍵失靈等。

為了找到整改思路，需要從原理角度分析靜電放電對設備的干擾。一般來說，這種干擾分為傳導和輻射兩種途徑。

（1）傳導方式是一種直接的電荷泄放方式。出現這種情況時，設備外殼放電點與設備內部形成了一條完整的放電路徑，靜電放電電流直接進入設備內部，流入信號端，造成電路功能異常。由于產品內部本身存在設計缺陷，恰好為靜電放電產生的電荷提供了一條泄放至內部電路的路徑，并且這條路徑的阻抗較小。當上述情況同時存在時，通過泄放路徑進入內部電路和關鍵元器件的電流很大，有可能會造成元器件損壞。

（2）輻射方式是一種較為間接的干擾方式。由于靜電放電本身包含高頻成分的尖峰電流，在很短時間內發生較大的電流變化，能夠在附近電路的各個信號環路中感應出干擾電動勢。當被測設備存在設計缺陷時，在某個環路中產生的干擾電動勢很可能超過了邏輯電路的閾值電平，引起誤觸發，導致電路誤動作。由于輻射的大小取決于與放電點的距離，如果放電點離被測設備核心元器件較近，電場強度會很大，可能對設備造成影響。

一般情況下，傳導方式的靜電干擾對設備的影響更猛烈，容易造成設備損壞，而輻射方式的靜電干擾容易造成設備誤動作。

3 靜電放電的整改方向

從靜電電荷產生和對設備造成影響的角度考慮，必須從源頭入手，控制電荷積聚，一旦有過量電荷就及時泄放，防止危險靜電源的形成，另外對于無法泄放的靜電電荷，要將其隔離，阻止干擾到關鍵電路。根據實際測試中設備整改的情況，將整改分為外部防護和內部電路防護兩個方向。

3.1 外部防護

從GB/T 17626.2-2018 標準中規定的放電點進行考慮，一般設備外部防護的范圍包括外殼、面板、顯示屏、外部電纜等。

3.1.1 外殼

外殼分為金屬材質和非金屬材質兩種，對于靜電防護有著不同的處理思路。

（1）非金屬外殼的優點是，外殼絕緣，一般情況下不會有電荷放出。缺點是如果設備內部布局過于靠近外殼，或者外殼太薄，靜電有可能對內部電路造成影響。對于采用非金屬外殼的設備，可以著重對孔隙部分加強絕緣，不讓電荷放出并通過孔隙流入設備內部。也可將外殼噴涂導電漆等材料，然后再將裸露的金屬端子等可直接接觸到的金屬部位接地。或者在外殼中放置一個金屬的屏蔽體，這種設計的好處是可以屏蔽來自外界的靜電干擾，同時在操作者對外殼的孔隙放電時，給靜電電荷提供一個泄放通道，防止對內部電路造成損壞。

（2）金屬外殼的優點是，對表面進行接觸放電時，大部分電荷可以直接由接地端子流走。但由于金屬外殼在靜電放電時可能對內部電路產生傳導耦合，從而干擾正常工作。對金屬外殼而言，外殼各部分之間的搭接非常重要。若機箱兩部分之間的搭接阻抗較高，當靜電放電流過搭接點時會產生電壓降，這個電壓降會驅動干擾電流流向內部電路，影響電路的正常工作。為避免這個電壓降或者減小其產生的危害，一般盡量使外殼保持完整和導電連續，盡量減少搭接阻抗。

3.1.2 面板、顯示屏

針對面板，主要考慮的是將電荷隔離在外部。面板盡量采用耐高壓的薄膜絕緣材料制作，同時注意避免縫隙，就可有效防止靜電電荷通過面板或按鍵進入內部電路產生干擾。顯示屏應考慮采用透明屏蔽材料進行保護，同時確保屏蔽材料與設備外殼接地點之間有良好的電接觸，可以及時泄放靜電電荷。

3.1.3 外部電纜

外部電纜主要包括電源線、信號線等操作者可觸摸到的線纜。整改思路是更換屏蔽性能更好的線纜，或者采用鐵氧體磁環纏繞的方式，對靜電放電的感應電流進行屏蔽和消耗。最理想的方式是，電纜采用屏蔽線，并且屏蔽層與外殼的大地連接，建立電荷對地泄放路徑。

3.2 內部電路防護

對于內部電路，防護的主要思路如下：首先確定電流泄放路徑，檢查此條路徑是否通暢，確保積聚電荷及時泄放。其次確定泄放途徑附近是否有重要的信號線，處理方法是改變走線方式，遠離放電路徑，或者在信號線上增加磁環，盡量屏蔽靜電泄放電流對信號線的影響。然后確定泄放途徑附近是否有敏感電路，如復位電路、控制電路、音視頻電路等，盡量用屏蔽材料加以隔離。

除此之外，可以直接選用一些典型的抗靜電干擾元器件，對電路進行防護。對于直接傳導的靜電放電干擾，可以嘗試在I/O 接口處串聯電阻或并聯二極管至正負電源端。另外，在I/O 信號線進入設備外殼處安裝一個對地的電容，能夠將接口電纜上感應的靜電放電電流分流到機箱上，避免流入電路，造成干擾。后文整改實例中采用的就是這種方式。

瞬態電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）也能夠對靜電放電起到有效的保護作用。不過TVS 只能抑制瞬態干擾的電壓，不能濾除高頻干擾成分，電路中一般配合增加與TVS 并聯的高頻旁路電容，用于抑制高頻干擾。

此外，PCB 板的走線對于靜電防護也非常重要，這些走線相當于一根根互相耦合的天線。為了把這些天線的耦合降低，PCB 板上的線長要求盡可能的短，包圍的環路面積盡可能小[6]。

4 整改實例

某品牌體外診斷設備，外殼為絕緣材質。靜電放電測試的現象為：對顯示屏、面板按鍵及外殼縫隙處進行空氣放電±8 kV，機器出現異常，按鍵失效，顯示屏顯示異常，無法維持基本性能。

4.1 分析一

針對顯示屏，首先考慮電荷在此處積聚不能及時泄放而造成干擾。通過檢查，顯示屏已經做了接地處理，但接地線很長。其次，顯示屏外部透明絕緣膜較薄，防護效果不好。

整改方法：在顯示屏與外殼之間增加一塊透明的絕緣材料（材質為丙烯酸玻璃）。同時，縮短顯示屏接地線的長度。

整改效果：對顯示屏進行空氣放電±8 kV 復測，顯示屏工作狀況有改善。

4.2 分析二

觀察顯示屏及其內部控制電路，發現顯示屏和控制電路之間的信號線是一根較長的排線。排線在機器內部未經處理，與其他電路距離很近。

整改方法：將排線折疊并固定在絕緣外殼處，遠離其他電路模塊及外殼縫隙等（圖2）。整改效果：對顯示屏進行空氣放電±8 kV 復測，顯示屏工作正常。

圖2 信號線處理示意圖

4.3 分析三

考慮電荷從外殼縫隙處進入內部電路，并造成按鍵失效。

整改方法：使用絕緣材料，將外殼縫隙處與其臨近內部電路之間互相隔離。如圖3 紅色箭頭指示，使用材料為絕緣泡沫襯墊。

圖3 外殼縫隙處理示意圖

整改效果：對外殼縫隙處進行空氣放電±8 kV 復測，與整改前相比，有一定改善。

4.4 分析四

對按鍵進行靜電放電時，按鍵完全失效，分析可能是靜電電流干擾到了按鍵及顯示部分控制電路，需要將電流分流泄放至大地，避免其對設備的干擾。

整改方法：嘗試在I/O 接口和地之間并聯二極管，并安裝一個對地電容，將I/O 接口處電纜感應的靜電放電電流分流到大地上，避免流入電路造成干擾。具體情況，見圖4～5；圖5 中，黃色部分為新增的元器件。

圖4 按鍵及顯示部分電路

圖5 按鍵部分整改示意圖

整改效果：對按鍵部位進行空氣放電±8 kV 復測，機器正常運行，不再有異常。

5 討論

本文從靜電放電對電氣和電子設備干擾的原理入手，分析了防護原則和思路。按照設備放電點位置進行分類，對各部位整改的方法進行了梳理，并結合實例進行驗證，為實際測試中解決靜電放電問題提供了參考。隨著醫療器械的發展，對于內部結構和功能復雜的設備，在研發階段就將靜電風險納入考慮，使用抗靜電干擾元器件對各功能模塊進行防護，將是未來醫用電氣設備的重要設計思路。