移動電話的ESD測試要求及防護(hù)設(shè)計

陳輝

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

1 引言

移動電話已逐漸成為社會上最普及的電子產(chǎn)品之一，多年的市場抽查結(jié)果表明，靜電仍是引起手機(jī)故障的主要問題之一。了解手機(jī)的靜電放電（ESD）測試要求及其抗靜電設(shè)計方法有很重要的作用，這對于提高移動電話的可靠性有很大的幫助。

2 靜電成因及危害途徑

靜電是兩種介電系數(shù)不同的物質(zhì)磨擦?xí)r，正負(fù)極性的電荷分別積累在兩個物體上而形成的。兩個帶上電荷的物體也就成了靜電源。就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦所產(chǎn)生的靜電是人體帶電的主要原因。

靜電放電的標(biāo)準(zhǔn)定義為： “具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移（GB/T 4365-1995）”，一般用ESD表示。它會導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重地?fù)p壞或操作失常，半導(dǎo)體專家、產(chǎn)品生產(chǎn)廠及用戶都在想辦法抑制ESD。

ESD基本可以分為3種類型，1）各種電子設(shè)備帶電引起的靜電放電；2）家具、皮具移動或設(shè)備移動、毛發(fā)或塑料的摩擦引起的靜電放電；3）人體電荷或設(shè)備移動引起的靜電放電。手機(jī)在使用過程中最容易受到第3種靜電放電的損壞。所以通常在手機(jī)的生產(chǎn)和使用過程中，操作者是最活躍的靜電源。

ESD可以通過兩種方式對線路、電子器件和PCB進(jìn)行干擾，一種是傳導(dǎo)干擾，如果電路的某個部分構(gòu)成了放電路徑，靜電放電電流就會直接侵入設(shè)備內(nèi)的電路，例如：人手去觸摸印制板上的軌線、管腳、設(shè)備的I/O接口端子以及同軸插座的芯線等。這時靜電放電電流流過集成片的輸入端，造成干擾。另一種是輻射干擾，因?yàn)榉烹姷倪^程是瞬間的ns級，放電峰值電流可以從幾個安培到幾十個安培，在放電過程中還會產(chǎn)生高頻電磁波。

3 移動電話的ESD試驗(yàn)要求

目前，國內(nèi)對移動電話上市前都有強(qiáng)制的ESD測試要求，具體的試驗(yàn)方法是引用GB/T 17626.2-1998（idt IEC 61000-4-2:1995）： 《電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》這一國家電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，并按其中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

對靜電的模擬有許多放電模型，而移動電話的靜電危害主要來自于人體的放電，標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法模擬就是模擬以下人體靜電放電模型（如圖1所示），放電線路中的儲能電容CS代表人體電容，現(xiàn)公認(rèn)150 pF比較合適。放電電阻Rd為330 Ω，代表手握鑰匙或其它金屬工具的人體電阻。

以GSM手機(jī)為例，我國標(biāo)準(zhǔn)YD 1032-2000《GSM900/DCS1800MHzTDMA數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)電磁兼容性限值和測量方法》規(guī)定了ESD試驗(yàn)的等級（如表1所示）和判據(jù)要求。

試驗(yàn)判據(jù)要求：試驗(yàn)時，應(yīng)建立并保持通信連接。試驗(yàn)后，EUT應(yīng)正常工作，無用戶可察覺的通信質(zhì)量降低，無用戶控制功能的喪失或存儲數(shù)據(jù)的丟失，且保持通信連接。為了在呼叫過程中確認(rèn)上述性能，還應(yīng)進(jìn)行空閑模式下的試驗(yàn)，且發(fā)信機(jī)不應(yīng)誤操作。

表1 試驗(yàn)等級

4 移動電話主要存在的ESD問題

從功能上看，數(shù)字移動電話的電路由射頻與基帶兩大部分組成。包括射頻電路中的收發(fā)器、頻率合成器和功放，基帶電路中的數(shù)字信息處理和控制器、存儲器和電源管理等。隨著手機(jī)體積的縮小及大規(guī)模數(shù)字集成電路的使用，靜電對手機(jī)的危害越來越不可忽視。

由于手機(jī)有很多部分用于人機(jī)交互，這樣就存在著人體靜電放電的ESD問題。通常對ESD敏感的手機(jī)部位有：SIM卡插座與CPU讀卡電路、鍵盤電路、耳機(jī)、麥克風(fēng)電路、電源接口、數(shù)據(jù)接口、USB接口以及彩屏LCD驅(qū)動接口。測試通常會在以上部位產(chǎn)生放電，嚴(yán)重時就會影響產(chǎn)品的功能。

ESD可能會造成手機(jī)可靠性下降、壽命降低。通常表現(xiàn)在工作異常、通信中斷、死機(jī)，甚至損壞并引發(fā)其它的安全問題。而且在很多情況下ESD造成的損害是潛在的，它降低了產(chǎn)品內(nèi)部器件的抗靜電能力，從而降低了產(chǎn)品的使用可靠性，因此，手機(jī)需要對ESD產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓加以良好的防護(hù)。

5 移動電話ESD防護(hù)設(shè)計

5.1 手機(jī)殼體設(shè)計

總體來說，手機(jī)殼體的ESD設(shè)計要點(diǎn)是防止ESD進(jìn)入殼體內(nèi)部，最大限度地減弱其進(jìn)入殼體的能量。手機(jī)正常使用時與人體接觸頻繁，靜電很容易積累在外殼上，甚至?xí)ㄟ^縫隙進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部。所以外殼是手機(jī)抗ESD的第一道防護(hù)。

對于采用金屬外殼的手機(jī)，不可避免地會有因電路到屏蔽殼體的連接，放電電弧可能產(chǎn)生的傳導(dǎo)耦合。改進(jìn)的方式是在外殼外使用絕緣體或涂絕緣漆或貼絕緣物質(zhì)（試驗(yàn)表明：好的噴涂材料能使絕緣效果達(dá)到20 kV），這樣既可以防止因操作者對金屬外殼的直接接觸放電造成干擾，又可以防止操作者對周圍物體放電時形成的干擾耦合到內(nèi)部。同時在操作者對外殼的孔、洞、縫隙放電時給放電電流一個泄放通道，防止對內(nèi)部電路直接放電。

但是，對于手機(jī)的非金屬部分，如顯示屏、攝像頭，則要求對電路的接地進(jìn)行仔細(xì)的布置，以防止放電電流感應(yīng)到電路上去。通常采用加屏蔽罩和采用隔離襯墊來彌補(bǔ)顯示屏與外殼之間的縫隙。

5.2 手機(jī)PCB設(shè)計

手機(jī)PCB通常為6層板。隨著密度的增加，趨勢是使用8層板，其設(shè)計一直都需要考慮性能與面積的平衡。一方面，越大的空間可以有更多的空間擺放元器件，同時，走線的線寬和線距越寬，對于EMI、音頻和ESD等各方面的性能都有好處。另一方面，手機(jī)體積設(shè)計的小巧又是趨勢與需要。所以，設(shè)計時需要找到平衡點(diǎn)，需要從隔離，增強(qiáng)單板靜電免疫力和采用保護(hù)電路的方法等方面綜合地進(jìn)行設(shè)計，以下分別加以描述。

a）隔離設(shè)計

靜電放電需要滿足3個條件，即具有一定量的電荷、在一定距離內(nèi)并且存在著克放電的物體。所以對于PCB來說，控制一定的放電距離非常重要。一般認(rèn)為，走線離開容易放電的邊緣4～8 mm就可以抵抗4～8 kV的靜電電壓。手機(jī)內(nèi)的敏感器件，如控制器，存儲器的放置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離放電源。

b）單板靜電免疫力設(shè)計

手機(jī)PCB為多層高速PCB，設(shè)計時可以通過合理布局、信號線合理處理的方法來增強(qiáng)產(chǎn)品的靜電抗干擾能力，基本原則如下：

1）信號線要緊靠PCB上設(shè)置的大面積底層和電源層平面，以保證信號回流通路最短，信號環(huán)路最小，這樣能降低線路對ESD引起的瞬態(tài)干擾的敏感程度；

2）對于靜電敏感電路，如存儲，顯示單元可以采用局部屏蔽的方式加以防護(hù)；

3）在器件的電源、地腳附近應(yīng)加不同頻率的濾波電容，可以由不同的電容值組合使用（試驗(yàn)證明，ESD引起的干擾脈沖是一個按指數(shù)規(guī)律衰減的受調(diào)制的正弦波，含有豐富的高頻分量，因此，應(yīng)在電源和地之間用高頻去耦電容，對射頻組件的向外引線應(yīng)用穿心電容器濾波或采用帶濾波器的接插件進(jìn)行濾波）；

4）對于大規(guī)模集成電路，如CPU、EEPROM，F(xiàn)LASH MEMORY、EPLD、FPGA等類型芯片，每個去耦電容應(yīng)并接一充放電容；

5）對于手機(jī)內(nèi)的時鐘和敏感信號線（如復(fù)位、無線接收信號）應(yīng)盡量放在一個布線層內(nèi)，并一定要采用電源和地層進(jìn)行屏蔽處理；

6）不同層的GND之間應(yīng)有盡可能多的通孔相連；

7）在信號線上可以有選擇地加入一些電容值合適的電容加以保護(hù)，這有助于提高信號線對靜電放電的免疫能力（但要注意阻容器件會引起信號失真，選擇時要注意其對傳輸信號的影響）；

8）PCB上不要設(shè)置孤立的電源和地平面，避免在受到靜電場干擾后無法及時泄放干擾，造成芯片電位抬高輸出鎖死。

c）PCB保護(hù)電路的設(shè)計

無論采用何種設(shè)計，ESD還會不可避免地進(jìn)入到手機(jī)電路中，尤其是以下幾個部件：SIM卡的CPU讀卡電路、鍵盤電路、耳機(jī)、麥克風(fēng)電路、數(shù)據(jù)接口、電源接口、USB接口和彩屏LCD驅(qū)動接口，這些部位很可能將人體的靜電引入手機(jī)中。所以，需要在這些部分中使用ESD防護(hù)器件。

在PCB上廣泛采用的是電壓瞬變抑制器（TVS）或TransZorb二極管。TVS是半導(dǎo)體器件，由于其最大的特點(diǎn)是快速反應(yīng)（1～5 ns）、非常低的極間電容（1～3 pf），很小的漏電流（1 μA）和很大的耐流量，尤其是其結(jié)合芯片的方式，非常適合各種接口的防護(hù)。使用時應(yīng)注意放在需要保護(hù)的器件旁邊，到地的連線盡可能地短，器件的布線應(yīng)成串聯(lián)型，而不能布成并聯(lián)型。

另外也可采用內(nèi)部集成ESD防護(hù)功能的接口器件，雖然成本會有所增加，但使用此類器件的好處是不會增加任何輸入輸出引腳的等效電容，也節(jié)省了電路板的面積。

6 結(jié)束語

本文對移動電話ESD測試要求及其ESD防護(hù)設(shè)計進(jìn)行了探討，在實(shí)際應(yīng)用中還需要通過多種實(shí)踐找到一個合理的平衡點(diǎn)。無論采用什么設(shè)計方法，都要從系統(tǒng)的角度去考慮問題，結(jié)合具體的要求而采用一種或多種設(shè)計方法。

[1]GB/T17626.2-1998，電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn) [S].

[2]YD 1032-2000，GSM900/DCS1800MHzTDMA數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)電磁兼容性限值和測量方法第一部分：移動臺及其輔助設(shè)備 [S].

[3]顧海州，馬雙武.PCB電磁兼容技術(shù)-設(shè)計實(shí)踐 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]白同云.如何實(shí)現(xiàn)電磁兼容 [M].中國電子學(xué)會電子產(chǎn)品戰(zhàn)略研究分會，2000.4.