介绍
医疗器械必须设计合适的隔离距离地球的病人。因此所有的医疗产品有浮动电路。这意味着电路地面隔离开地球。在浮动的ESD保护电路与孤立的理由可以非常具有挑战性的。有时传统ESD保护的方法可能行不通。重要的是要理解如何创建和它是如何释放静电。防静电的放电总是取决于电路特点。在这个博客我将描述我最近ESD故障诊断经验,我从中学到了什么。
背景
最近我工作在一个医疗产品的外围支持董事会连接到系统板通过flex 4英寸长的电缆。地面连接,电线和信号来到了外围板通过一个flex电缆。外围板有三个外围设备支持。每个外围通过UART通信四UART USB转换器集成电路与系统处理器。的一个外围设备有一个暴露金属耦合器patient-coupled压力软管。这种耦合器有一个机械开关,关闭软管插入时。开关不是孤立于连接器金属身体。开关有两个3英寸长的电线连接到外围。图1描绘了这一个外围的高度图。
ESD测试观察
金属连接器暴露和方便的人情味。因此,IEC 61000-4-2 ESD测试方法应用。每版4的IEC 60601 - 1 - 2:2014医疗设备必须满足四级ESD放电(8千伏接触和15千伏空气)。连接器在15千伏空气放电测试。与连接器内的开关关闭。第一次放电后所有三个外围设备掉线,成为门锁处于未知状态。他们需要硬实力再循环操作。经过几次排放的IC针连接器开关检测受损,导致集成电路故障需要更换。
ESD故障排除
在一个浮动电路ESD
上面描述的现象也出现在4 kv空气放电。首先这是奇怪的,因为有一个电视二极管放置开关检测销的IC。然而,TVS二极管没有帮助。这不是有用的,因为静电能量耦合到董事会共模。图2显示了LTSpice ESD的射频电路模型图如图1所示。跟踪电感和地面电感为点测量示意图所示1 mhz,使用电感电容电阻测量计100千赫。
从图2据悉,静电枪是参考地球地面放电电流的想回到地球。的唯一途径当前地球找到它的方法是遵循路径导致地球。自AC / DC电源的直流侧连接到地球通过220 pf Y-Cap ESD电流会通过外围板、flex和系统板的常见模式。然而,由于外围板只能通过flex接地电缆有很多电感接地。因为这个电感储能电路形式和震荡,直到所有的能量消散在集成电路和其他组件。图3显示了模拟集成电路的输入振荡。
请注意,因为外围板是浮动的,没有传统的ESD保护方法的工作。防静电能量流动地面参考引用是不一样的ESD保护装置使用。
解决方案
在这种情况下,有几个选项,可以很好的解决方案。本文选择上市已经被测试和被证明是有效的。
隔离输入
最有效的解决方法是孤立点的放电电路的其余部分。以下技术可以用来隔离电路的放电点:
- 光学光电隔离器
- 需要分裂的理由和一个电源
- 需要空间最小面积1平方厘米
- 限流电阻
- 如果短于0.5英寸ESD将拱跨;一定是孤立的两侧
- 地面和信号必须有电阻
- 机械开关的隔离
- 需要一个设计变化和重组
- 现成的组件可能很难改变
- 设计更改的时间可能不符合产品发布的最后期限
隔离选项被放置大型模拟电阻串联开关的电线。图4显示了示意图。
放置10 k电阻串联的开关线减少了ESD电流约60马峰范围,如图5所示。客户喜欢这个解决方案,我们测试了它在15千伏空气放电600次,没有观察。类似的其他类型的隔离方法效果一样好。
绕过集成电路
另一个解决方案是绕过将防静电电荷的集成电路如图6所示。
自ESD能源想去系统地提供一个低阻抗、低电感ESD带从金属连接器系统地面允许所有的ESD电流被转向到系统的地面。这种方式容易集成电路不受影响。注意系统地面仍然是孤立的,但因为它是一个更大的董事会更电容地球地面和地面Y-Cap连接地球。这是ESD电流的原因想去系统地面。图7显示了ESD电路模型带连接。
防静电带将几乎所有的ESD电流重定向到系统地面是地球有更多的电容。图8显示了当前集成电路的输入,而变得微不足道。
预防性设计
理想为浮动电路提供静电预防的方法是确保固体隔离接地跨所有董事会。在上述情况下,外围板应该提供额外的低阻抗连接孤立系统地面通过接地螺丝或接地的肩带。