靜電放電試驗(yàn)桌防護(hù)及整改措施2

3 電磁兼容在醫(yī)療器械中的應(yīng)用
3.1靜電放電對(duì)被測(cè)設(shè)備的影響
根據(jù)靜電放電對(duì)設(shè)備造成后果的嚴(yán)重程度，一般可分為兩種情況 ：一是損壞，通過直接放電，引起設(shè)備中半導(dǎo)體器件的損壞，造成設(shè)備的失效，例如由于靜電放電電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效，或者由于靜電放電感應(yīng)出高的電壓導(dǎo)致絕緣擊穿；二是由于直接放電或間接放電而引起電磁場(chǎng)變化，造成設(shè)備某一模塊被干擾，設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)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(duì)設(shè)備的干擾。一般來說，這種干擾分為傳導(dǎo)和輻射兩種途徑。
（1）傳導(dǎo)方式是一種直接的電荷泄放方式。出現(xiàn)這種情況時(shí)，設(shè)備外殼放電點(diǎn)與設(shè)備內(nèi)部形成一條完整的放電路徑，電流流入設(shè)備內(nèi)部信號(hào)端，造成電路功能異常。由于產(chǎn)品內(nèi)部本身存在設(shè)計(jì)缺陷，恰好為靜電放電產(chǎn)生的電荷提供了一條泄放至內(nèi)部電路的路徑，并且這條路徑的阻抗較小。當(dāng)上述情況同時(shí)存在時(shí)，通過泄放路徑進(jìn)入內(nèi)部電路和關(guān)鍵元器件的電流很大，有可能會(huì)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(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的電流變化，能夠在附近電路的各個(gè)信號(hào)環(huán)路中感應(yīng)出干擾電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)被測(cè)設(shè)備存在設(shè)計(jì)缺陷時(shí)，在某個(gè)環(huán)路中產(chǎn)生的干擾電動(dòng)勢(shì)很可能超過了邏輯電路的閾值電平，引起誤觸發(fā)，導(dǎo)致電路誤動(dòng)作。由于輻射的大小取決于與放電點(diǎn)的距離，如果放電點(diǎn)離被測(cè)設(shè)備核心元器件較近，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)很大，可能對(duì)設(shè)備造成影響[5]。一般情況下，傳導(dǎo)方式的靜電干擾對(duì)設(shè)備的影響更猛烈，容易造成設(shè)備損壞，而輻射方式的靜電干擾容易造成設(shè)備誤動(dòng)作。
3.2靜電放電的整改方向
從靜電電荷產(chǎn)生和對(duì)設(shè)備造成影響的角度考慮，從源頭入手，控制電荷積聚，一旦有過量電荷就及時(shí)泄放，防止危險(xiǎn)靜電源的形成，另外對(duì)于無(wú)法泄放的靜電電荷，要將其隔離，阻止干擾到關(guān)鍵電路。根據(jù)實(shí)際測(cè)試中設(shè)備整改的情況，將整改分為外部防護(hù)和內(nèi)部電路防護(hù)兩個(gè)方向。
3.2.1外部防護(hù)
從 GB/T 17626.2-2018 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的放電點(diǎn)進(jìn)行考慮，一般設(shè)備外部防護(hù)的范圍包括外殼、面板、顯示屏、外部電纜等。
3.2.2外殼
外殼分為金屬材質(zhì)和非金屬材質(zhì)兩種，對(duì)于靜電防護(hù)不同材質(zhì)有著不同的處理思路。
（1）非金屬外殼：優(yōu)點(diǎn)是外殼絕緣，一般情況下不會(huì)有電荷透過。缺點(diǎn)是如果設(shè)備內(nèi)部電路與外殼距離過近，或者外殼太薄，靜電都有可能透過外殼對(duì)內(nèi)部電路造成影響。對(duì)于此類設(shè)備，著重考慮電荷通過孔隙來流入設(shè)備內(nèi)部，所以可以對(duì)孔隙部分加強(qiáng)絕緣，也可將外殼噴涂導(dǎo)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(gè)金屬的屏蔽體，這種設(shè)計(jì)的好處是可以屏蔽來自外界的靜電干擾，同時(shí)在操作者對(duì)外殼的孔隙放電時(shí)，給靜電電荷提供一個(gè)泄放通道，防止對(duì)內(nèi)部電路造成損壞。
（2）金屬外殼：優(yōu)點(diǎn)是對(duì)表面進(jìn)行接觸放電時(shí)，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(shí)可能對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生傳導(dǎo)耦合，從而影響設(shè)備正常工作。對(duì)金屬外殼而言，外殼各部分之間的搭接非常重要。若機(jī)箱兩部分之間的搭接阻抗較高，當(dāng)靜電放電流過搭接點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓降會(huì)驅(qū)動(dòng)干擾電流流向內(nèi)部電路，影響電路的正常工作。為避免這個(gè)電壓降或者減小其產(chǎn)生的危害，一般盡量使外殼保持完整和導(dǎo)電連續(xù)，盡量減少搭接阻抗[5]。
3.2.3面板、顯示屏
針對(duì)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(shí)注意避免縫隙，就可有效防止靜電電荷通過面板或按鍵進(jìn)入內(nèi)部電路產(chǎn)生干擾。顯示屏應(yīng)考慮采用透明屏蔽材料進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)確保屏蔽材料與設(shè)備外殼接地點(diǎn)之間有良好的電接觸，可以及時(shí)泄放靜電電荷。
3.2.4外部電纜
外部電纜主要包括電源線、信號(hào)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(huán)纏繞的方式，對(duì)靜電放電的感應(yīng)電流進(jìn)行屏蔽和消耗。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(duì)地泄放路徑。
3.2.5內(nèi)部電路防護(hù)
對(duì)于內(nèi)部電路，防護(hù)的主要思路如下 ：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(shí)泄放。其次確定泄放途徑附近是否有重要的信號(hào)線，若有可改變走線方式，遠(yuǎn)離放電路徑，或者在信號(hào)線上增加磁環(huán)，盡量屏蔽靜電泄放電流對(duì)信號(hào)線的影響。然后確定泄放途徑附近是否有敏感電路，如復(fù)位電路、控制電路、音視頻電路等，盡量用屏蔽材料加以隔離[6]。
除此之外，可以直接選用一些典型的抗靜電干擾元器件，對(duì)電路進(jìn)行防護(hù)。對(duì)于直接傳導(dǎo)的靜電放電干擾，可以嘗試在 I/O 接口處串聯(lián)電阻或并聯(lián)二極管至正負(fù)電源端。另外，在 I/O 信號(hào)線進(jìn)入設(shè)備外殼處安裝一個(gè)對(duì)地的電容，能夠?qū)⒔涌陔娎|上感應(yīng)的靜電放電電流分流到機(jī)箱上，避免流入電路，造成干擾。后文整改實(shí)例中采用的就是這種方式。
瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor， TVS）也能夠?qū)o電放電起到有效的保護(hù)作用。不過 TVS 只能抑制瞬態(tài)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(lián)的高頻旁路電容，用于抑制高頻干擾。
此外， PCB 板的走線對(duì)于靜電防護(hù)也非常重要，這些走線相當(dāng)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(zhǎng)要求盡可能的短，包圍的環(huán)路面積盡可能小，考慮磁場(chǎng)對(duì)消原理。
磁通對(duì)消的本質(zhì)就是信號(hào)回流路徑的控制，具體示意圖3.1如下：