手機(jī)抗雷擊浪涌測試及其設(shè)計(jì)

李雪玲，朱文立（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

手機(jī)抗雷擊浪涌測試及其設(shè)計(jì)

李雪玲，朱文立
（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

介紹了手機(jī)及其充電器在產(chǎn)品認(rèn)證中的浪涌檢測要求，比較了各類浪涌防護(hù)器件的特點(diǎn)，分別對手機(jī)的通用充電器浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)及其原理進(jìn)行了仔細(xì)分析，以及對手機(jī)浪涌和瞬態(tài)脈沖保護(hù)提出了合理的對策方案。

手機(jī)；檢測；浪涌；防護(hù)設(shè)計(jì)

引言

手機(jī)已經(jīng)廣泛深入到了普羅大眾的日常生活，成為大家生活和工作中不可或缺的便捷工具，其應(yīng)用早已突破了傳統(tǒng)的雙方無線通話功能，除了早就具備的短信和視頻通話功能，到現(xiàn)在，已經(jīng)成為大家隨身攜帶的便攜式工具取代了計(jì)算機(jī)、照相機(jī)、錄音機(jī)、錄像機(jī)、游戲機(jī)、電子書；網(wǎng)上沖浪工具取代了電視機(jī)、影碟機(jī)、CD機(jī)、報(bào)紙、雜志；金融工具去進(jìn)行金融和資金管理完成各種支付功能；商務(wù)工具去進(jìn)行網(wǎng)上銷售和網(wǎng)購；社交工具去進(jìn)行網(wǎng)上交友和交流；旅游工具進(jìn)行導(dǎo)航方便大家駕車旅游及機(jī)票、車票、旅店的查詢、預(yù)訂；餐飲、休閑和娛樂指南等等，手機(jī)的重要性不言而喻。在手機(jī)的安全設(shè)計(jì)和使用上，除了電氣安全中的防觸電，以及手機(jī)電池的防起火爆炸外，手機(jī)防雷擊浪涌設(shè)計(jì)是否到位也是非常重要的：若設(shè)計(jì)不到位，手機(jī)充電時，可能會因交流市網(wǎng)感應(yīng)雷擊而損壞，手機(jī)電池也可能因此過壓起火爆炸，若用戶一邊充電一邊使用手機(jī)，也可能會因此遭受雷擊而出現(xiàn)人身傷亡事故。

1 手機(jī)浪涌測試及其相關(guān)要求

1.1 手機(jī)EMC檢測標(biāo)準(zhǔn)

手機(jī)的雷擊浪涌防護(hù)性能一直是手機(jī)電磁兼容檢測標(biāo)準(zhǔn)中的重要一項(xiàng)。

國家手機(jī)檢測和CCC認(rèn)證的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)有: GB/ T 22450.1-2008《900/1 800 MHz TDMA 數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)電磁兼容性限值和測量方法 第1部分：移動臺及其輔助設(shè)備》、GB/T 19484.1-2013 《800 MHz/2 GHz cdma2000數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)電磁兼容性要求和測量方法 第1部分：用戶設(shè)備及其輔助設(shè)備》、YD/ T 1592.1-2012 《2 GHz TD-SCDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)電磁兼容性要求和測量方法 第1部分：用戶設(shè)備及其輔助設(shè)備》、YD/T 1595.1-2012 《2 GHz WCDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)電磁兼容性要求和測量方法 第1部分：用戶設(shè)備及其輔助設(shè)備》、YD/T 2583.14-2013 《蜂窩式移動通信設(shè)備電磁兼容性能要求和測量方法 第14部分：LTE用戶設(shè)備及其輔助設(shè)備》。

這些手機(jī)電磁兼容檢測標(biāo)準(zhǔn)中都包含該浪涌檢測要求。

圖1 施加的浪涌波形圖

1.2 通用浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)

該測試主要考核手機(jī)在使用AC/DC充電器給手機(jī)充電時，在交流電源端口有感應(yīng)雷擊浪涌存在時，手機(jī)和充電器是否可以承受一定等級的通過交流市網(wǎng)感應(yīng)的雷擊浪涌電壓。

試驗(yàn)按GB/T 17626.5-2008進(jìn)行，同時應(yīng)滿足下列要求：

1） 對于AC電源端口試驗(yàn)電平應(yīng)為2 kV（線對地）、1 kV（線對線）。

2）對于直接與室外電纜連接的電信端口，試驗(yàn)電平應(yīng)為1 kV（線對地），但如果EUT是電信中心設(shè)備，試驗(yàn)電平應(yīng)為0.5 kV（線對地）；對于與室內(nèi)電纜相連并且連接電纜長度大于10 m的電信端口，試驗(yàn)電平應(yīng)為0.5 kV（線對地）。

3） 對于DC電源線上的試驗(yàn)電平應(yīng)為1 kV（線對地）、0.5 kV（線對線）。

4） 試驗(yàn)脈沖波形為1.2/50 μs。

性能合格判據(jù)為B，其要求如下：

1）在試驗(yàn)之前應(yīng)建立好通信鏈路。

2）試驗(yàn)后，被測樣品（EUT）應(yīng)能正常工作，無用戶可察覺的通信質(zhì)量的降低，無用戶控制功能的喪失或存儲數(shù)據(jù)的丟失，并且保持通信連接。

3）除了在業(yè)務(wù)模式下確認(rèn)上述性能，還應(yīng)進(jìn)行空閑模式下的試驗(yàn)，發(fā)信機(jī)不應(yīng)出現(xiàn)誤操作。

4）如果EUT是一個單純的發(fā)信機(jī)，試驗(yàn)應(yīng)在空閑模式下進(jìn)行，EUT在試驗(yàn)過程中不應(yīng)出現(xiàn)誤操作。

圖2 浪涌耦合圖

1.3 手機(jī)浪涌測試

手機(jī)需在連接AC/DC充電器充電時進(jìn)行浪涌測試。測試按照1.2節(jié)要求進(jìn)行，浪涌施加在充電器AC電源端口。當(dāng)充電器無保護(hù)接地端子（PE）時（絕大多數(shù)手機(jī)充電器均是這種設(shè)計(jì)方式），只需在L-N之間施加1 kV浪涌電壓（浪涌信號源內(nèi)阻為2 Ω，最大浪涌電流500 A）。當(dāng)充電器有保護(hù)接地端子時，則浪涌測試分別進(jìn)行：在L-N之間施加1 kV浪涌電壓（浪涌信號源內(nèi)阻為2 Ω，最大浪涌電流500 A）；在L-PE和N-PE之間施加2 kV浪涌電壓（浪涌信號源內(nèi)阻為12 Ω，最大浪涌電流167 A）。試驗(yàn)按GB/T 17626.5-2008進(jìn)行；試驗(yàn)脈沖波形為1.2/50 μs（8/20 μs）的組合波。測試時，手機(jī)分別在業(yè)務(wù)模式和空閑模式工作狀態(tài)下進(jìn)行，施加的浪涌波形如圖1所示，浪涌耦合如圖2所示。試驗(yàn)合格判定要求見1.2節(jié)。對應(yīng)測試均符合要求時，可判定產(chǎn)品通用浪涌測試通過。

2 手機(jī)充電器AC/DC輸入端口雷擊浪涌設(shè)計(jì)

浪涌測試時，在端口施加的浪涌電壓高達(dá)數(shù)千伏，浪涌電流也高達(dá)幾百上千安培，持續(xù)時間短，一般為微秒級，電壓上升速度很快。對此類干擾脈沖，采用傳統(tǒng)濾波方式很難加以有效抑制，通常采用專用浪涌抑制器件加以吸收和抑制，以避免過高浪涌脈沖進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部，超出內(nèi)部電路承受極限，造成電路損壞或產(chǎn)生干擾。

表1 典型電源輸入端浪涌抑制器件特點(diǎn)比較

2.1 常用浪涌抑制器件及其特點(diǎn)

常用的浪涌抑制器件根據(jù)其保護(hù)特性不同分為三大類。

第一類是鉗位型過壓保護(hù)器件，此類器件一般安裝在被保護(hù)接口與接口電路并聯(lián)，接口正常工作電壓低過保護(hù)器件的閥值電壓，保護(hù)器件不導(dǎo)通；當(dāng)接口施加浪涌電壓超過了保護(hù)器件的閥值電壓時，保護(hù)器件導(dǎo)通，分流浪涌電流，并將端口電壓鉗位在閥值電壓上，以保護(hù)端口內(nèi)部電路。此類器件有：氧化鋅壓敏電阻（MOV）、瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）等。

第二類是開關(guān)型過壓保護(hù)器件，此類器件也一般安裝在被保護(hù)接口與接口電路并聯(lián)，接口正常工作電壓低過保護(hù)器件的閥值電壓，保護(hù)器件不導(dǎo)通；當(dāng)接口施加浪涌電壓超過了保護(hù)器件的閥值電壓時，保護(hù)器件導(dǎo)通，類似于開關(guān)合閘，處于近似短路狀態(tài)，分流浪涌電流，端口導(dǎo)通及維持電壓極低（一般10 V左右），以保護(hù)端口內(nèi)部電路，只有當(dāng)端口兩端的電壓低于保護(hù)器件導(dǎo)通維持電壓時，保護(hù)器件才能再次恢復(fù)截止。此類器件有：陶瓷氣體放電管（GDT）、玻璃氣體放電管（SPG）、半導(dǎo)體放電管（TSS）等。

第三類是過流型保護(hù)器件，此類器件也一般安裝在被保護(hù)接口并串聯(lián)在接口輸入端，接口正常工作電流低過保護(hù)器件的閥值電流，保護(hù)器件處于低阻抗?fàn)顟B(tài)；當(dāng)接口施加浪涌電壓，有大的浪涌電流流過保護(hù)器件，超過了保護(hù)器件的閥值電流，保護(hù)器件轉(zhuǎn)為高阻狀態(tài)，以限制大的浪涌電流進(jìn)入接口，保護(hù)端口內(nèi)部電路；浪涌電流消失后，保護(hù)器件再次恢復(fù)低阻狀態(tài)，接口恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。此類器件有：自恢復(fù)保險絲（PPTC）。

一般電源端口比較多選擇GDT、MOV、TVS進(jìn)行保護(hù)，信號端口則較多選擇GDT、TSS、TVS、PPTC進(jìn)行保護(hù)。常見電源端口浪涌抑制器件特點(diǎn)如表1所示。

一般GDT、MOV用于大電流的浪涌保護(hù)和粗保護(hù)，TVS用于小電流浪涌保護(hù)和精密保護(hù)。由于GDT的可承受浪涌次數(shù)較低，手機(jī)充電器AC端較多使用MOV進(jìn)行浪涌保護(hù)，而TVS體積較小，殘壓低，鉗位精確，但通流能力較小，多用于手機(jī)DC接口的瞬態(tài)脈沖保護(hù)。

2.2 手機(jī)AC/DC充電器浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)

手機(jī)AC/DC充電器內(nèi)置有AC/DC轉(zhuǎn)換電路，使用日常市網(wǎng)供電，并將高壓交流轉(zhuǎn)化為低壓直流給手機(jī)充電。市電網(wǎng)絡(luò)從室外引入，有可能感應(yīng)到雷擊浪涌高壓，因此手機(jī)充電器AC輸入端口應(yīng)有一定的雷擊浪涌防護(hù)能力，并通過相應(yīng)的手機(jī)EMC檢測標(biāo)準(zhǔn)的浪涌抗擾度測試。手機(jī)充電器的AC輸入端口應(yīng)有相應(yīng)的浪涌防護(hù)電路。手機(jī)AC/DC充電器通常設(shè)計(jì)成II類安全設(shè)備，沒有保護(hù)地線，浪涌測試只需在L-N之間進(jìn)行，相應(yīng)的保護(hù)電路只需安裝在L-N之間即可，保護(hù)電路如圖3所示。只需在電源入口處L-N之間安裝一只壓敏電阻即可。對額定輸入為220 V交流的充電器，壓敏電阻閥值電壓選擇470 V，額定電流容量選擇750 A及以上即可（預(yù)留了50 %的電流余量，以增長器件的使用壽命）。

圖3 保護(hù)電路圖

部分手機(jī)充電器也設(shè)計(jì)成I類安全設(shè)備，帶有保護(hù)地引腳，浪涌測試分別在L-N及L-PE和N-PE上施加，因此，相應(yīng)的保護(hù)電路需分別安裝在L-N、L-PE、N-PE之間，相應(yīng)的保護(hù)電路如圖5所示。如圖4（a）所示，L-N之間選擇閥值電壓470 V電流容量大于750 A壓敏電阻，L-PE和N-PE之間選擇壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)，壓敏電阻與氣體放電管均選擇閥值電壓470 V電流容量大于250 A的器件，其中氣體放電管可選擇兩個兩引腳的單獨(dú)放電管，若印制板空間有限，也可選擇一個二合一的三引腳的氣體放電管。該電路能起到很好的浪涌防護(hù)作用。

由于充電器體積所限，加之成本考慮，有時會將圖4（a）的電路簡化為圖4（b），也能起到較好的防護(hù)作用。MOV選擇閥值電壓470 V電流容量大于750 A器件，GDT選擇閥值電壓470 V電流容量大于250 A器件。此時，L-N之間浪涌由MOV保護(hù)，L-PE之間的浪涌由MOV 與GDT串聯(lián)保護(hù)，N-PE之間浪涌由GDT保護(hù)。

對于部分按照I類安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的充電器，若保護(hù)接地端子PE未與DC輸出的負(fù)極相連，且只有L-PE和N-PE之間的Y電容與PE連接，若相應(yīng)Y電容能承受施加在其上的浪涌電壓，則可省去L-PE和N-PE之間的浪涌保護(hù)電路，如圖5（a）所示，此時，Y電容應(yīng)在L-PE、N-PE施加2 kV浪涌電壓時不會損壞；否則，還得按照圖5（b）所示，安裝相應(yīng)的保護(hù)電路。

對于個別充電器設(shè)計(jì)成II類安全結(jié)構(gòu)的I類安全設(shè)備，雖然充電器帶有保護(hù)接地端子，但該端子未與內(nèi)部任何電路連接，此時，按照II類安全設(shè)備安裝保護(hù)電路即可。

部分簡易型手機(jī)充電器為節(jié)省成本，會省略掉MOV 和GDT等保護(hù)器件。若設(shè)計(jì)得當(dāng)，也可通過浪涌測試。

某款簡易型手機(jī)充電器電路原理如圖6所示。

該電路正常工作時，220 V交流通過D1、R1給C1充電，C1上最高電壓約為310 V直流電壓。

圖5 浪涌測試相應(yīng)的保護(hù)電路圖

若進(jìn)行浪涌測試，在L-N之間交流正峰值點(diǎn)施加1 kV浪涌電壓，信號源內(nèi)阻2 Ω，浪涌開路電壓波形及短路電流波形如圖1所示。該浪涌通過D1、R1被C1吸收，在浪涌脈沖作用下，C1上的最高浪涌電壓可達(dá)480VDC，比正常工作電壓升高約170 V，若后續(xù)電路能承受480 V直流電壓，則該升高電壓部分很快會被后續(xù)電路消耗掉。D1和R1上的峰值電流也高達(dá)約83 A，但持續(xù)時間很短，約數(shù)十微秒，若R1的額定功率合適，應(yīng)該不會燒毀。但若后續(xù)電路無法承受該直流電壓，該電路可做如下改進(jìn)：將D1的4007換為整流橋，使得輸入端的半波整流變?yōu)闃蚴秸?，C1保持不變，R1的阻值加大到20 Ω。浪涌測試時，C1上的直流電壓從正常的310 V直流升高到最高400 V直流，最大升幅約90 V；整理橋D1和R1上的峰值電流約為45.6 A。則浪涌脈沖對后續(xù)電路和輸入環(huán)路的沖擊顯著減輕，只要相關(guān)回路元器件的額定值選擇得當(dāng)，一般不會對充電器產(chǎn)生較大的不利影響。

3 手機(jī)DC輸入接口抗瞬態(tài)脈沖干擾設(shè)計(jì)

通常手機(jī)充電端口會與USB接口二合一，且目前大多數(shù)手機(jī)均為USB2.0接口。這類通用接口的手機(jī)充電器通常均是可以混用的，部分低檔次手機(jī)可能連充電器都不配，這也催生了大量第三方手機(jī)充電器市場。此類充電器多由用戶自行購買或由手機(jī)終端銷售商選配。從多次手機(jī)監(jiān)督抽查情況來看，由終端銷售商自行選配的手機(jī)充電器已成為手機(jī)抽檢不合格的重要原因之一。同時，第三方劣質(zhì)手機(jī)充電器造成的手機(jī)各類故障不在少數(shù)，此類故障，手機(jī)制造商也很難舉證是用戶充電器造成，相應(yīng)的售后服務(wù)成本增加給手機(jī)制造商造成不少損失。同時，大量第三方手機(jī)充電器輸入端口一般沒有安裝浪涌抑制器件，當(dāng)交流電網(wǎng)存在浪涌沖擊時，會通過充電器DC輸出進(jìn)入被充電手機(jī)造成手機(jī)故障，甚至引發(fā)人身安全事故。因此，不少制造商也在尋求通過加強(qiáng)手機(jī)充電接口的保護(hù)電路，盡可能減小劣質(zhì)充電器對手機(jī)的傷害，以及由此造成的損失。

圖6 某款簡易型手機(jī)充電器電路原理圖

圖7 接口保護(hù)電路圖

對目前通用的手機(jī)充電接口，可通過加強(qiáng)瞬態(tài)干擾抑制措施，以保護(hù)手機(jī)內(nèi)部電路免遭劣質(zhì)充電器的傷害。通常的接口保護(hù)電路如圖7所示。為了節(jié)省手機(jī)內(nèi)部的寶貴空間，使用貼片的PPTC和貼片的專用集成USB接口保護(hù)芯片，集成保護(hù)芯片由一個單極性TVS和四個肖特基二極管構(gòu)成，肖特基二極管將D+和D-上的瞬態(tài)干擾尖峰耦合到V+和GND上，再通過并在V+和GND之間的TVS加以吸收。肖特基二極管的結(jié)電容極小，對USB接口數(shù)據(jù)線上的USB2.0的高速數(shù)據(jù)沒有影響。TVS的閥值電壓與接口允許的最大充電電壓相對應(yīng)，一般可選為最大充電電壓的1.5～2倍。PPTC的動作電流一般選擇接口最大允許的充電電流2～3倍。該組合保護(hù)電路可對接口的常見瞬態(tài)尖峰脈沖提供良好的防護(hù)，包括EFT、ESD及外部充電器耦合進(jìn)來的殘余浪涌尖峰。

4 結(jié)語

手機(jī)及其充電器的浪涌防護(hù)性能檢測是手機(jī)認(rèn)證檢測的基本要求，手機(jī)及其充電器應(yīng)通過良好的瞬態(tài)及浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)來滿足測試要求，這樣可為手機(jī)充電及其使用的安全性和可靠性提供良好保證，且可在一定程度上減少企業(yè)相應(yīng)的售后服務(wù)支出，并為使用者減低手機(jī)維護(hù)成本。

[1] GB/T 19484.1-2013, 800 MHz/2 GHz cdma2000數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)電磁兼容性要求和測量方法 第1部分：用戶設(shè)備及其輔助設(shè)備[S].

[2] YD/T 1592.1-2012, 2 GHz TD-SCDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)電磁兼容性要求和測量方法 第1部分：用戶設(shè)備及其輔助設(shè)備 [S].

[3] YD/T 1595.1-2012, 2 GHz WCDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)電磁兼容性要求和測量方法 第1部分：用戶設(shè)備及其輔助設(shè)備 [S].

[4] YD/T 2583.14-2013,蜂窩式移動通信設(shè)備電磁兼容性能要求和測量方法 第14部分：LTE用戶設(shè)備及其輔助設(shè)備 [S].

[5] GB/T 22450.1-2008, 900/1 800 MHz TDMA 數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)電磁兼容性限值和測量方法 第1部分：移動臺及其輔助設(shè)備 [S].

[6] GB/T 17626.5-2008,電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn) [S].

[7]朱文立,陳燕,郭遠(yuǎn)東.電子電器產(chǎn)品電磁兼容質(zhì)量控制及設(shè)計(jì) [M].北京:電子工業(yè)出版社, 2015.

[8]陳立輝,朱文立,等.電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)與測試之移動通信產(chǎn)品 [M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2014.

李雪玲，女，高級工程師，四川省資陽市人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所賽寶質(zhì)量安全檢測中心電磁兼容室，現(xiàn)主要從事無線通信及電子產(chǎn)品認(rèn)證、電磁兼容檢測及技術(shù)研究工作。

Surge Test and Design of Mobile Phone

LI Xue-ling，ZHU Wen-li
(CEPREI, Guangzhou 510610)

This paper introduces the requirements of mobile phone and charger in the product certification in surge detection, and compares the characteristics of various types of surge protection devices. The mobile phone universal charger surge protection design and its principle are analyzed, and the reasonable countermeasures for protection of mobile phone surge and transient impulse are given.

mobile phone; test; surge; protective design

TN03

A

1004-7204（2017）01-0006-06