静电放电试验对医用电气设备的影响

　　静电放电抗扰度试验是电磁兼容检测的一项重要试验，目的是检测医用电气设备在日常安装、调试、使用过程中受到静电干扰时基本安全和基本性能是否受到影响，以此来评估医用电气设备设计的合理性和安全性。如今电子工业技术快速发展，集成电路的广泛应用极大地降低了医用电气设备抗静电放电干扰的能力，因此寻求合理高效的静电整改方案和措施成为研发的重要环节，如何规避静电干扰也是设备开发必须要思考和解决的重要问题。

静电放电试验对医用电气设备的影响

　　1.静电干扰概述

　　随着科学技术的不断发展，电子产品被广泛地应用在各行各业，致使周围的电磁环境复杂多变，而由于静电放电产生的电磁场效应也成为了不得不思考的重要问题。静电放电试验是用来模拟人们日常使用电子设备时可能产生的放电现象。这种现象瞬间产生的放电电流，会产生短暂但却高强度的电磁场，从而导致正在使用的电子设备如计算机、终端设备、医用电子设备产生错误的操作，甚至于直接造成设备电路击穿损坏。在电子工业迅速发展的时期，集成电路广泛应用，其典型的特点是电子元器件之间线路变小，耐压程度变低，走线面积缩减，然而这样的高集成设计使得电子设备抗击静电干扰的能力明显减小，因静电干扰而导致的放电电流和电磁场直接影响这些高密度元器件的使用寿命。为解决该问题，各式各类的高绝缘材料被应用于集成电路中，然而绝缘制品的性质导致在日常安装、调试和使用过程中更容易产生静电。在对医用器械设备进行注册检验时，需要通过相关的标准来检测该设备的有效性，静电放电试验是其中很重要的环节，目的就是检验电子设备在遭受这类静电放电干扰时的性能变化。静电放电现象对于医疗设备电子元器件的损伤具有以下几个特点：隐蔽性，除了静电放电现象以外，不容易被人体所直接感知。累积性，当电子元器件受到静电干扰后可能会出现性能不变的现象，但是如果该器件在使用的过程中多次受到静电放电的影响，累积效应会给器件带来严重的隐患，加大敏感性。随意性，医用电气设备在安装、调试、使用过程中均可能受到静电干扰，产生静电的途径多种多样，而且静电释放通常都是瞬间发生，很难做到及时防护。因静电放电干扰可能对医用电气设备产生的危害：形成电磁干扰，使设备产生故障并且错误操作，降低诊疗准确性;加快元器件老化，降低设备安全性和使用寿命;击穿集成电路和精密电子元器件，增加诊疗设备的安全风险。

　　2.静电放电试验原理及若干整改方式

　　静电放电试验是用来评估医用电气设备在遭受静电放电干扰时是否符合标准要求。试验依据标准YY0505-2012《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》以及GB/T17626.2-2018《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》。为了减少环境条件对试验的影响，静电放电试验应在规定的环境下试验：①环境温度：15~35˚C;②相对湿度：30%~60%;③大气压力：86~106kPa。其中相对湿度对试验结果影响最大，因为在相对湿度较高的环境下，所产生的静电电荷不易集聚，因此产生的静电电压相对较低。反之空气湿度越低，越容易促使静电荷集聚，因此而产生的静电电压则越高。进行放电试验的部位通常是在使用设备时人体容易接触到的地方，如操作面板，键盘，手柄，机器外壳等，但是接线插座的端子除外，否则容易击穿设备电路。静电放电试验主要包括两种方式，接触放电、空气放电。接触放电指的是，发生器直接和受试设备接触，通过发生器内部的放电开关来控制放电，接触放电一般情况下都是用在受试设备的金属导电外壳和裸露的螺丝钉上，垂直和水平耦合板放电也可以视为接触放电的一种形式。空气放电指的是发生器的放电开关始终处于开启状态，将发生器的接触探头无限的接近受试设备，产生放电现象如火花。通常将空气放电作用在受试设备的绝缘表面、部件搭接处的孔、缝隙等。静电放电的波形图如图1所示。静电放电试验测试结果与电磁环境、空气温湿度、操作方式有关，试验等级应该从低到高逐级进行。静电放电并不是电解质强度试验，并非高电压的影响就比低电压的影响更大，因为放电瞬间电磁场非常强，且频谱非常宽，静电放电试验的标准波形在时域上是非常复杂的，所以静电试验并不是简单的电压影响，而是从频域上考虑，频谱非常复杂的一种电磁能量的影响。静电放电试验的结果一定程度上可以反映出集成电路板设计是否合理。对于静电放电试验的整改方式是多种多样的，从其产生静电干扰的原因考虑主要是传导方式和辐射方式。①传导方式是指当对设备外部进行金属放电时，由于产品设计存在弊端，为静电电荷的流入提供了一条低阻抗的释放路径，导致静电产生电流直接流入到设备内部，影响电路关键元器件和内部信号端，甚至击穿相关电子元件，传导方式可视为直接干扰。②辐射方式是指由于放电本身会在瞬间产生复杂的电流变化并在信号环路中产生感应电平。这时如果设备存在设计弊端，并且放电位置临近电子电路，瞬间的电场能量增加，干扰电平超过设定限值，导致设备故障。通常认为传导方式下静电干扰对设备的损伤会更显著。静电整改主要是防止放电电荷聚积，避免因电荷释放影响电子电路。设备外壳可选择非金属材质，或者在金属外壳处喷绝缘漆，防止静电电荷透过外壳干扰内部电路，对于外壳孔缝隙或者外露的可接触金属部分，加强其绝缘效果并做好接地。对于金属外壳要尽量避免因边缘部分重叠而增加的阻抗，尽可能使得金属外壳持续导电。对于存在显示屏或者控制面板的医疗设备，屏幕材料应选择耐高压的绝缘材质，考虑阻隔电荷从屏幕和缝隙处干扰内部电路。另外，可以对屏幕增加绝缘屏蔽层，将集聚电荷隔离在设备之外。设备外露的线缆，应使用屏蔽较好的电缆，用磁环多层缠绕，尽可能消耗感应电荷，屏蔽层做好接地，保证有效的释放线路。对于电路板的设计，应确保释放电路设计畅通，无阻隔，并且释放电路应远离关键信号线，必要时修改布线位置，以及采用铁氧磁环，尽力消除隐患。当释放电路周围存在敏感电路如操控电路、复位功能电路，应考虑做好屏蔽阻隔。另外还可以在电子电路上选择抗静电干扰的电子器件，如在信号端口处接电阻、二级管、电容等，将因静电产生的电荷分流，减少对电路的损害。还可以采用瞬态电压稳压器，电路板的互联线缆也要最短，减少环路面积，尽可能实现磁通互消，根据右手定则的原理，使得相邻的信号层和地层电磁通量相互抵消，如图2所示。

　　3.医用电气设备静电放电试验整改实例

　　以某型医用脉搏血氧仪在静电放电试验中出现的问题以及相关的解决方案为例，具体如下。问题描述：某型医用脉搏血氧仪，依据医疗器械行业标准YY0505-2012以及国标GB-T17626.2-2012标准的相关要求和试验方法进行静电放电试验检测。在测试过程中该脉搏血氧仪在进行水平耦合板±6kV、垂直耦合板±6kV、空气放电±8kV试验时不符合要求，影响其基本性能。具体表现为设备死机，无法正常工作，需要人为重启才能恢复正常工作状态。原因分析：根据实验现象分析，该设备在静电放电试验时出现的死机现象，是由于静电电荷穿过孔缝和间接耦合方式，影响内部电路，从而CPU暂时不能执行其他的操作处理，导致的暂时的死机状况。分析导致CPU暂时不能执行其他操作的原因，根据血压计以往的设计经验来看，最容易出现的就是主CPU优先处理与角度传感器的通信问题。推测当静电噪声通过空气放电方式，或者间接耦合板放电的方式施加到主CPU的通信端口时，放电电荷集聚，瞬间产生短暂的放电电流和相应的高强度电磁场影响主CPU的通信端口被锁存，从而在一定时间内无法进行通信。在此情况下根据已有软件的设定，主CPU优先处理与角度传感器的通信，所以直到锁存器状态消除为止的期间内CPU都不能执行其他处理。以上情况的分析与实际的试验结果(设备死机)正好吻合。整改措施：根据上述对不良现象的分析，整改方向锁定在传感器电路板和主电路板的通信方面。尝试在传感器电路板上修改电阻值，在主电路板上修改电容值。经过多次的电阻和电容的更换组合，在主CPU和角度传感器之间的通信中将电容器的容量增大，电阻值减少，将因静电产生的电荷分流，减少对电路的损害，改善因静电噪声施加的原因而导致的主CPU的通信端口被锁存现象，最终确定电容和电阻的相关数值，达到既不影响本设备的相关功能，同时又解决静电试验不良现象的问题。整改的相关情况见表1、图1及图2。结果确认：经上述整改后，重新对该脉搏血氧仪进行静电放电的相关测试，其中在进行水平耦合板±6kV、垂直耦合板±6kV、空气放电±8kV试验时，设备不再出现死机现象，也没有出现其他不良试验现象，整改合格，同时也证明该整改方案合理有效，且在技术和工艺流程上均能够实现持续生产。

　　4.小结

　　本文介绍了静电放电试验的相关试验原理以及试验方法，重点强调了静电放电对医疗设备产生的若干危害，以及在静电整改时一些常用的有效的整改措施和注意事项，为医疗器械设计生产提供了参考方案。同时本文结合实例，说明内部电路设计时应充分考虑释放电路的有效性，合理配置串联电阻和对地电容的数值，减少阻抗，使得内部电路及时有效释放电荷，减少对于重要信号线、电子器件的影响。防止医疗设备因静电干扰导致的误动作、基本性能丧失，甚至电路永久性击穿。与此同时产品在实际开发和设计中也要平衡电磁兼容性和电气安全之间的关系，相得益彰，不断开发出高质量的医疗电器，推动国产医用电气设备更好更快的发展。

　　作者：王晓桐何珊珊

　　静电放电试验对医用电气设备的影响相关推荐浅谈医院手术室供配电系统的设计