电磁兼容测试中静电放电整改方法解析
引言
静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）其实是一种自然现象。两种不同的材料相互摩擦时，由于介电强度不同，就会产生静电电荷。当其中一种材料上的静电电荷积累到一定程度，在与另一个物体接触时，就会通过这个物体到大地的阻抗而进行放电。静电放电在日常生活中会对电子设备的正常工作产生极大的干扰和损害，使设备不能正常工作，也给接触这些电子设备的工作人员带来困扰[1]。例如，洁净手术室的空调气流经过层层过滤，净化出口气流是带有静电电荷的，手术室的洁净度要求越高，静电积聚可能越严重，对手术室中医用电气设备的抗干扰性能要求也更高。本文从静电防护的原理入手，探讨防护思路，结合实际整改案例进行介绍。
1 静电放电的干扰机理
在GB/T4365-2003《电工术语 电磁兼容》中，静电放电的定义为：“具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移”[2]。针对电气和电子设备，依据我国目前现行有效的GB/T 17626.2-2018《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》[3]（等同采用IEC 61000-4-2:2008），通过建立通用和可重现的基准，来评估设备受到静电放电干扰时能否保持基本性能。在实际测试中，采用静电放电发生器，模拟放电现象。静电放电发生器的原理简图，见图1。
图1 静电放电发生器放电原理图
其中，在考虑了人的身高体型差异、与接地平面或地点位物体的接近程度、媒质介电常数等因素之后，人体电容的典型值为60～300 pF，而150 pF 为常用的平均值[4]。接地电阻代表了从人体（手部接触端）到接收设备静电放电的最坏情况下的阻抗，取值为330 Ω[4]。
为了模拟被测设备使用过程中有可能遇到的静电现象，GB/T 17626.2-2018 标准中规定的静电放电测试，分为直接放电和间接放电两种方式。间接放电的原理是在一定空间范围内产生指定强度的静电场，考察被测设备在该静电场中是否受到干扰。直接放电可以分为接触放电和空气放电，通过将静电电荷直接施加到设备表面的方式，考察被测设备是否受到干扰。
2 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：一是永久性损坏，通过直接放电，引起设备中半导体器件的损坏，造成设备的永久性失效，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[5]；二是由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了一条完整的放电路径，静电放电电流直接进入设备内部，流入信号端，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。
3 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。
3.1 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。
3.1.1 外壳
外壳分为金属材质和非金属材质两种，对于静电防护有着不同的处理思路。
（1）非金属外壳的优点是，外壳绝缘，一般情况下不会有电荷放出。缺点是如果设备内部布局过于靠近外壳，或者外壳太薄，静电有可能对内部电路造成影响。对于采用非金属外壳的设备，可以着重对孔隙部分加强绝缘，不让电荷放出并通过孔隙流入设备内部。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）金属外壳的优点是，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，从而干扰正常工作。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。
3.1.2 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。
3.1.3 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。最理想的方式是，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。
3.2 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，处理方法是改变走线方式，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[6]。
4 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。
4.1 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。
4.2 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（图2）。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。
图2 信号线处理示意图
4.3 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。如图3 红色箭头指示，使用材料为绝缘泡沫衬垫。
图3 外壳缝隙处理示意图
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。
4.4 分析四
对按键进行静电放电时，按键完全失效，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。具体情况，见图4～5；图5 中，黄色部分为新增的元器件。
图4 按键及显示部分电路
图5 按键部分整改示意图
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。
5 讨论
本文从静电放电对电气和电子设备干扰的原理入手，分析了防护原则和思路。按照设备放电点位置进行分类，对各部位整改的方法进行了梳理，并结合实例进行验证，为实际测试中解决静电放电问题提供了参考。随着医疗器械的发展，对于内部结构和功能复杂的设备，在研发阶段就将静电风险纳入考虑，使用抗静电干扰元器件对各功能模块进行防护，将是未来医用电气设备的重要设计思路。
[1] YY 0505-2012,医用电气设备 第1-2部分: 安全通用要求 并列标准：电磁兼容 要求和试验[S].
[2] GB/T4365-2003,电工术语 电磁兼容[S].
[3] GB/T 17626.2-2018,电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验[S].
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Analysis of Electrostatic Discharge Rectifi cation Methods in Electromagnetic Compatibility Testing