靜電放電抗擾度試驗是電磁兼容檢測的一項重要試驗，目的是檢測醫(yī)用電氣設備在日常安裝、調試、使用過程中受到靜電干擾時基本安全和基本性能是否受到影響，以此來評估醫(yī)用電氣設備設計的合理性和安全性。如今電子工業(yè)技術快速發(fā)展，集成電路的廣泛應用極大地降低了醫(yī)用電氣設備抗靜電放電干擾的能力，因此尋求合理高效的靜電整改方案和措施成為研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，如何規(guī)避靜電干擾也是設備開發(fā)必須要思考和解決的重要問題。

　　1.靜電干擾概述

　　隨著科學技術的不斷發(fā)展，電子產品被廣泛地應用在各行各業(yè)，致使周圍的電磁環(huán)境復雜多變，而由于靜電放電產生的電磁場效應也成為了不得不思考的重要問題。靜電放電試驗是用來模擬人們日常使用電子設備時可能產生的放電現象。這種現象瞬間產生的放電電流，會產生短暫但卻高強度的電磁場，從而導致正在使用的電子設備如計算機、終端設備、醫(yī)用電子設備產生錯誤的操作，甚至于直接造成設備電路擊穿損壞。在電子工業(yè)迅速發(fā)展的時期，集成電路廣泛應用，其典型的特點是電子元器件之間線路變小，耐壓程度變低，走線面積縮減，然而這樣的高集成設計使得電子設備抗擊靜電干擾的能力明顯減小，因靜電干擾而導致的放電電流和電磁場直接影響這些高密度元器件的使用壽命。為解決該問題，各式各類的高絕緣材料被應用于集成電路中，然而絕緣制品的性質導致在日常安裝、調試和使用過程中更容易產生靜電。在對醫(yī)用器械設備進行注冊檢驗時，需要通過相關的標準來檢測該設備的有效性，靜電放電試驗是其中很重要的環(huán)節(jié)，目的就是檢驗電子設備在遭受這類靜電放電干擾時的性能變化。靜電放電現象對于醫(yī)療設備電子元器件的損傷具有以下幾個特點：隱蔽性，除了靜電放電現象以外，不容易被人體所直接感知。累積性，當電子元器件受到靜電干擾后可能會出現性能不變的現象，但是如果該器件在使用的過程中多次受到靜電放電的影響，累積效應會給器件帶來嚴重的隱患，加大敏感性。隨意性，醫(yī)用電氣設備在安裝、調試、使用過程中均可能受到靜電干擾，產生靜電的途徑多種多樣，而且靜電釋放通常都是瞬間發(fā)生，很難做到及時防護。因靜電放電干擾可能對醫(yī)用電氣設備產生的危害：形成電磁干擾，使設備產生故障并且錯誤操作，降低診療準確性;加快元器件老化，降低設備安全性和使用壽命;擊穿集成電路和精密電子元器件，增加診療設備的安全風險。

　　2.靜電放電試驗原理及若干整改方式

　　靜電放電試驗是用來評估醫(yī)用電氣設備在遭受靜電放電干擾時是否符合標準要求。試驗依據標準YY0505-2012《醫(yī)用電氣設備第1-2部分安全通用要求并列標準電磁兼容-要求和試驗》以及GB/T17626.2-2018《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》。為了減少環(huán)境條件對試驗的影響，靜電放電試驗應在規(guī)定的環(huán)境下試驗：①環(huán)境溫度：15~35˚C;②相對濕度：30%~60%;③大氣壓力：86~106kPa。其中相對濕度對試驗結果影響最大，因為在相對濕度較高的環(huán)境下，所產生的靜電電荷不易集聚，因此產生的靜電電壓相對較低。反之空氣濕度越低，越容易促使靜電荷集聚，因此而產生的靜電電壓則越高。進行放電試驗的部位通常是在使用設備時人體容易接觸到的地方，如操作面板，鍵盤，手柄，機器外殼等，但是接線插座的端子除外，否則容易擊穿設備電路。靜電放電試驗主要包括兩種方式，接觸放電、空氣放電。接觸放電指的是，發(fā)生器直接和受試設備接觸，通過發(fā)生器內部的放電開關來控制放電，接觸放電一般情況下都是用在受試設備的金屬導電外殼和裸露的螺絲釘上，垂直和水平耦合板放電也可以視為接觸放電的一種形式。空氣放電指的是發(fā)生器的放電開關始終處于開啟狀態(tài)，將發(fā)生器的接觸探頭無限的接近受試設備，產生放電現象如火花。通常將空氣放電作用在受試設備的絕緣表面、部件搭接處的孔、縫隙等。靜電放電的波形圖如圖1所示。靜電放電試驗測試結果與電磁環(huán)境、空氣溫濕度、操作方式有關，試驗等級應該從低到高逐級進行。靜電放電并不是電解質強度試驗，并非高電壓的影響就比低電壓的影響更大，因為放電瞬間電磁場非常強，且頻譜非常寬，靜電放電試驗的標準波形在時域上是非常復雜的，所以靜電試驗并不是簡單的電壓影響，而是從頻域上考慮，頻譜非常復雜的一種電磁能量的影響。靜電放電試驗的結果一定程度上可以反映出集成電路板設計是否合理。對于靜電放電試驗的整改方式是多種多樣的，從其產生靜電干擾的原因考慮主要是傳導方式和輻射方式。①傳導方式是指當對設備外部進行金屬放電時，由于產品設計存在弊端，為靜電電荷的流入提供了一條低阻抗的釋放路徑，導致靜電產生電流直接流入到設備內部，影響電路關鍵元器件和內部信號端，甚至擊穿相關電子元件，傳導方式可視為直接干擾。②輻射方式是指由于放電本身會在瞬間產生復雜的電流變化并在信號環(huán)路中產生感應電平。這時如果設備存在設計弊端，并且放電位置臨近電子電路，瞬間的電場能量增加，干擾電平超過設定限值，導致設備故障。通常認為傳導方式下靜電干擾對設備的損傷會更顯著。靜電整改主要是防止放電電荷聚積，避免因電荷釋放影響電子電路。設備外殼可選擇非金屬材質，或者在金屬外殼處噴絕緣漆，防止靜電電荷透過外殼干擾內部電路，對于外殼孔縫隙或者外露的可接觸金屬部分，加強其絕緣效果并做好接地。對于金屬外殼要盡量避免因邊緣部分重疊而增加的阻抗，盡可能使得金屬外殼持續(xù)導電。對于存在顯示屏或者控制面板的醫(yī)療設備，屏幕材料應選擇耐高壓的絕緣材質，考慮阻隔電荷從屏幕和縫隙處干擾內部電路。另外，可以對屏幕增加絕緣屏蔽層，將集聚電荷隔離在設備之外。設備外露的線纜，應使用屏蔽較好的電纜，用磁環(huán)多層纏繞，盡可能消耗感應電荷，屏蔽層做好接地，保證有效的釋放線路。對于電路板的設計，應確保釋放電路設計暢通，無阻隔，并且釋放電路應遠離關鍵信號線，必要時修改布線位置，以及采用鐵氧磁環(huán)，盡力消除隱患。當釋放電路周圍存在敏感電路如操控電路、復位功能電路，應考慮做好屏蔽阻隔。另外還可以在電子電路上選擇抗靜電干擾的電子器件，如在信號端口處接電阻、二級管、電容等，將因靜電產生的電荷分流，減少對電路的損害。還可以采用瞬態(tài)電壓穩(wěn)壓器，電路板的互聯(lián)線纜也要最短，減少環(huán)路面積，盡可能實現磁通互消，根據右手定則的原理，使得相鄰的信號層和地層電磁通量相互抵消，如圖2所示。

　　3.醫(yī)用電氣設備靜電放電試驗整改實例

　　以某型醫(yī)用脈搏血氧儀在靜電放電試驗中出現的問題以及相關的解決方案為例，具體如下。問題描述：某型醫(yī)用脈搏血氧儀，依據醫(yī)療器械行業(yè)標準YY0505-2012以及國標GB-T17626.2-2012標準的相關要求和試驗方法進行靜電放電試驗檢測。在測試過程中該脈搏血氧儀在進行水平耦合板±6kV、垂直耦合板±6kV、空氣放電±8kV試驗時不符合要求，影響其基本性能。具體表現為設備死機，無法正常工作，需要人為重啟才能恢復正常工作狀態(tài)。原因分析：根據實驗現象分析，該設備在靜電放電試驗時出現的死機現象，是由于靜電電荷穿過孔縫和間接耦合方式，影響內部電路，從而CPU暫時不能執(zhí)行其他的操作處理，導致的暫時的死機狀況。分析導致CPU暫時不能執(zhí)行其他操作的原因，根據血壓計以往的設計經驗來看，最容易出現的就是主CPU優(yōu)先處理與角度傳感器的通信問題。推測當靜電噪聲通過空氣放電方式，或者間接耦合板放電的方式施加到主CPU的通信端口時，放電電荷集聚，瞬間產生短暫的放電電流和相應的高強度電磁場影響主CPU的通信端口被鎖存，從而在一定時間內無法進行通信。在此情況下根據已有軟件的設定，主CPU優(yōu)先處理與角度傳感器的通信，所以直到鎖存器狀態(tài)消除為止的期間內CPU都不能執(zhí)行其他處理。以上情況的分析與實際的試驗結果(設備死機)正好吻合。整改措施：根據上述對不良現象的分析，整改方向鎖定在傳感器電路板和主電路板的通信方面。嘗試在傳感器電路板上修改電阻值，在主電路板上修改電容值。經過多次的電阻和電容的更換組合，在主CPU和角度傳感器之間的通信中將電容器的容量增大，電阻值減少，將因靜電產生的電荷分流，減少對電路的損害，改善因靜電噪聲施加的原因而導致的主CPU的通信端口被鎖存現象，最終確定電容和電阻的相關數值，達到既不影響本設備的相關功能，同時又解決靜電試驗不良現象的問題。整改的相關情況見表1、圖1及圖2。結果確認：經上述整改后，重新對該脈搏血氧儀進行靜電放電的相關測試，其中在進行水平耦合板±6kV、垂直耦合板±6kV、空氣放電±8kV試驗時，設備不再出現死機現象，也沒有出現其他不良試驗現象，整改合格，同時也證明該整改方案合理有效，且在技術和工藝流程上均能夠實現持續(xù)生產。

　　4.小結

　　本文介紹了靜電放電試驗的相關試驗原理以及試驗方法，重點強調了靜電放電對醫(yī)療設備產生的若干危害，以及在靜電整改時一些常用的有效的整改措施和注意事項，為醫(yī)療器械設計生產提供了參考方案。同時本文結合實例，說明內部電路設計時應充分考慮釋放電路的有效性，合理配置串聯(lián)電阻和對地電容的數值，減少阻抗，使得內部電路及時有效釋放電荷，減少對于重要信號線、電子器件的影響。防止醫(yī)療設備因靜電干擾導致的誤動作、基本性能喪失，甚至電路永久性擊穿。與此同時產品在實際開發(fā)和設計中也要平衡電磁兼容性和電氣安全之間的關系，相得益彰，不斷開發(fā)出高質量的醫(yī)療電器，推動國產醫(yī)用電氣設備更好更快的發(fā)展。

　　作者：王曉桐 何珊珊

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