專業(yè)戶外手機(jī)靜電抗擾度對策研究

易華斌

（1.國家數(shù)字電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東 深圳 518055；2.深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院，廣東 深圳 518055）

專業(yè)戶外手機(jī)產(chǎn)品越來越受到戶外活動者的青睞，然而受到外界氣候變化的影響，用戶常常遇到系統(tǒng)重啟甚至產(chǎn)品損壞的意外故障，這其實(shí)在很大程度上是由人體自帶的靜電干擾造成的。

靜電放電抗擾度是指產(chǎn)品能否抵抗在相對低的濕度環(huán)境下所產(chǎn)生的靜電放電現(xiàn)象的能力，產(chǎn)品在靜電放電后，能否繼續(xù)正常工作，是否出現(xiàn)性能降低、損壞或?qū)е掳踩鹿拾l(fā)生。靜電放電的電壓較高，可以達(dá)到10kV及以上，雖然持續(xù)時間短，但對半導(dǎo)體器件造成的損壞大，使產(chǎn)品出現(xiàn)暫時性的性能降低或永久性的功能失效問題[1]。

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行靜電放電抗擾度測試時，通過靜電槍對產(chǎn)品外表面的金屬和非金屬部件進(jìn)行放電模擬。由于靜電電荷既有正極性又有負(fù)極性，故在用靜電槍測試時，也需要測試正負(fù)兩種電壓極性。就專業(yè)戶外手機(jī)來說，其產(chǎn)品的敏感部位一般為外殼的金屬部分/非金屬部分、顯示屏、按鍵區(qū)、耳機(jī)接口或USB接口等位置。在對一款專業(yè)戶外手機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)其外殼縫隙以及金屬外殼部分為靜電敏感區(qū)，在試驗(yàn)過程中，會出現(xiàn)死機(jī)或通信中斷現(xiàn)象[2]。

1 手機(jī)的靜電放電抗擾度測試要求

按照手機(jī)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，以5G手機(jī)為例，對應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為YD/T 2583.18—2019《蜂窩式移動通信設(shè)備電磁兼容性要求和測量方法 第18部分：5G用戶設(shè)備和輔助設(shè)備》。如果5G手機(jī)支持不同的制式，也即除了5G，還兼容2G的GSM制式、3G的WCDMA制式、4G的LTE制式等，在測試時也應(yīng)遵循不同的標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

靜電放電抗擾度測試項(xiàng)目的試驗(yàn)等級詳見表1。

表1 靜電放電抗擾度的試驗(yàn)等級

專業(yè)戶外手機(jī)在進(jìn)行靜電放電測試時的工作模式包括專用模式（通話狀態(tài)）和空閑模式（待機(jī)狀態(tài)）。專用模式即為被測手機(jī)與模擬基站通過空間鏈路建立連接并保持通信，模擬基站命令手機(jī)工作在最大功率發(fā)射狀態(tài)?？臻e模式即為被測手機(jī)與模擬基站通過空間鏈路保持同步，被測設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)。如果手機(jī)同時帶有充電器，則在專用模式和空閑模式下，手機(jī)均要分別工作在與充電器相連進(jìn)行充電的狀態(tài)和靠電池供電的狀態(tài)。

靜電放電抗擾度測試項(xiàng)目的判據(jù)：試驗(yàn)前應(yīng)建立通信連接；在加干擾過程中，無用戶可察覺的通信鏈路丟失；整個加擾過程結(jié)束后，被測設(shè)備應(yīng)能正常工作，保持通信連接，無用戶控制功能的喪失或存儲數(shù)據(jù)的丟失[4]。

2 試驗(yàn)條件及問題分析

專業(yè)戶外手機(jī)產(chǎn)品是直流供電，III類設(shè)備，接地方式為浮地。試驗(yàn)在IEC規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)金屬板上進(jìn)行，金屬板有2塊，按放置方向不同，分別稱水平耦合板和垂直耦合板。耦合板材質(zhì)通常為銅或鋁，最小厚度為0.25 mm。耦合板放置在0.8 m高的木桌上，水平耦合板上放置有絕緣襯墊，在其上再放置專業(yè)戶外手機(jī)。通過兩端各帶有一個470 kΩ電阻的電纜，耦合板與實(shí)驗(yàn)室的接地參考平面相連。實(shí)驗(yàn)室的接地參考平面應(yīng)超過水平耦合板的四條邊各邊至少0.5 m，接地參考平面的材質(zhì)及厚度同耦合板，也可以采用其他金屬材質(zhì)，但厚度至少0.65 mm。

所用的靜電放電測試設(shè)備產(chǎn)生能符合IEC 6100-4-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波形。試驗(yàn)布置由靜電槍、專業(yè)戶外手機(jī)和炭刷等輔助裝置組成。試驗(yàn)發(fā)生器的儲能電容器與分布電容的典型值為150 pF，放電電阻的典型值為330 Ω。靜電放電發(fā)生器的放電回路電纜應(yīng)與接地參考平面連接[5]。

由于靜電放電抗擾度試驗(yàn)對試驗(yàn)環(huán)境敏感，否則試驗(yàn)重復(fù)性差，故所有測量均要符合IEC 61000-4-2規(guī)定的氣候條件。其中環(huán)境溫度范圍為（15～35）℃，大氣壓力范圍為（86～106）kPa。由于幅值較寬，比較容易滿足要求。相對濕度對靜電放電影響最大，其范圍為（30～60）%，需要在專門的實(shí)驗(yàn)室加以控制以滿足測試要求。

靜電測試系統(tǒng)產(chǎn)生的靜電波形見圖1。

圖1 理想的接觸放電電流波形

在試驗(yàn)中，采用逐點(diǎn)排查的辦法進(jìn)行敏感點(diǎn)的尋找。首先將靜電發(fā)生器的電壓設(shè)置為+4 kV，在對手機(jī)縫隙進(jìn)行空氣放電時（見圖2），專業(yè)戶外手機(jī)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象；對金屬外殼進(jìn)行接觸放電+2 kV時，專業(yè)戶外手機(jī)一切正常，然后采用電壓階梯法對專業(yè)戶外手機(jī)進(jìn)行排查，將電壓升高到+3.5 kV，對樣機(jī)再次進(jìn)行試驗(yàn)，手機(jī)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。這里需要注意的是，I類供電設(shè)備由于帶有接地裝置，故施加的靜電放電電荷能通過地線正常泄放，而作為III類設(shè)備的專業(yè)戶外手機(jī)無接地裝置，故不能將靜電電荷自由泄放到大地，如果連續(xù)施加靜電放電，會導(dǎo)致某一受試部位上的電荷累加到遠(yuǎn)超過試驗(yàn)等級，最終使待測手機(jī)的靜電放電抗擾度測試項(xiàng)目非正常失敗。因此在施加下一個靜電脈沖時，必須先消除已施加靜電放電脈沖的某一部位上的電荷。方法是增加兩次靜電放電之間的時間間隔，更為行之有效的方法是通過帶泄放電阻的炭刷來直接清掃某一放電部位上的電荷[6]。

圖2 專業(yè)戶外手機(jī)靜電敏感點(diǎn)（外殼縫隙）

根據(jù)出現(xiàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象，通過分析主要有兩個方面原因：縫隙過大和電路板電磁兼容設(shè)計(jì)不周，導(dǎo)致其專業(yè)戶外手機(jī)的靜電抗擾度能力較差。

首先，手機(jī)殼體的縫隙過大，這樣在進(jìn)行空氣放電時，由于電壓等級高，靜電電荷通過空氣氣隙，使靜電槍的半圓頭形電極與手機(jī)內(nèi)部的PCB之間被直接擊穿，而電火花產(chǎn)生的寬頻段高脈沖的干擾直接影響了手機(jī)的正常工作。

其次，在電路設(shè)計(jì)方面，對于主控芯片的供電和復(fù)位腳處理、接口部分濾波及屏蔽措施等考慮不周都會導(dǎo)致專業(yè)戶外手機(jī)的抗靜電能力較弱。

3 抗靜電對策措施

3.1 縫隙的對策

縫隙過大會將人體的靜電直接泄放到內(nèi)部的PCB，導(dǎo)致其死機(jī)。據(jù)多年對策經(jīng)驗(yàn)，對于縫隙的處理，采用“堵”的方式來提高其靜電防護(hù)能力。經(jīng)過與生產(chǎn)廠家的協(xié)商，由生產(chǎn)廠家定做一個可以封住縫隙邊緣的軟的塑料圈（見圖3）。通過這個塑料圈將殼體的縫隙密封，當(dāng)再次進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)時，縫隙處的抗靜電能力可以達(dá)到+6 kV。

圖3 軟塑料圈

如果產(chǎn)品是塑料外殼，“堵”的其他方法也可以采用增加外殼的厚度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合方式，使靜電不能通過縫隙直接對電路板進(jìn)行放電。手機(jī)外殼還可以采用“疏”的方法來抑制靜電放電。在塑料外殼的內(nèi)部，噴涂EMI油漆，也即可導(dǎo)電的油漆，或內(nèi)襯導(dǎo)電膠布，使外殼相當(dāng)于一個金屬屏蔽罩，再將殼體與主板的地連接，將靜電從地導(dǎo)走。

3.2 電路方面的對策

通過對縫隙進(jìn)行采取措施，專業(yè)戶外手機(jī)的抗靜電能力得到了一定程度的提高，但是還不能滿足相關(guān)的試驗(yàn)要求，因此還需要從專業(yè)戶外手機(jī)的電路方面著手尋找對策。

（1）復(fù)位電路的對策。通過對原理圖的分析，該專業(yè)戶外手機(jī)的復(fù)位電路沒有靜電防護(hù)措施，可以在復(fù)位電路上加一個壓敏電阻。它作為一種伏安特性為非線性、電阻值對電壓敏感的限壓型保護(hù)器件，當(dāng)過電壓加在壓敏電阻的兩極時，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，其特性如圖4所示，從而提高了主控芯片的抗靜電能力。經(jīng)過上述處理之后，金屬外殼的抗靜電能力可以達(dá)到3.7 kV。

圖4 壓敏電阻特性圖

圖5 電源上加TVS管

（2）主控芯片電源電路的對策。經(jīng)過對原理圖電路的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行原型設(shè)計(jì)時，對主控芯片的電源部分未進(jìn)行靜電防護(hù)處理。處理對策是，在主控芯片的電源上采用TVS管（見圖5）。TVS即瞬態(tài)電壓抑制二極管，類似于壓敏電阻，也是一種過壓保護(hù)器件，可以更高效地將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護(hù)手機(jī)中的功能芯片，免受靜電脈沖的損壞。在手機(jī)的接口電路、主控芯片供電或者敏感的信號線上，均可以合理設(shè)計(jì)瞬態(tài)電壓抑制管。經(jīng)過上述處理之后，專業(yè)戶外手機(jī)的接觸放電抗靜電能力可以達(dá)到3.9 kV；空氣放電的抗靜電能力可以達(dá)到7.3 kV。

（3）加屏蔽罩來提高其抗靜電能力。經(jīng)過和研發(fā)工程師磋商，發(fā)現(xiàn)主控芯片下面的地平面不是很完整。因此，建議工程師重新布線，在主控芯片的上方預(yù)留一個屏蔽罩的位置，同時設(shè)計(jì)了一個合適的屏蔽罩（見圖6、圖7），再次進(jìn)行靜電試驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)其抗靜電能力大大得到提高，上述措施實(shí)施后，接觸放電抗靜電能力可以達(dá)到4.5 kV；空氣放電的抗靜電能力可以達(dá)到8.6 kV。

圖6 重新布線后的PCB

圖7 增加屏蔽罩后的PCB

（4）提高抗靜電能力的其他措施。在條件允許的情況下，布線層高速信號應(yīng)安排一層完整的地平面相鄰，這樣做的目的是為了產(chǎn)生通量對消作用。另外CPU的閑置I/O口應(yīng)接地，至少不要懸空，包括其他IC的閑置端也應(yīng)接地不要懸空，但不能改變系統(tǒng)邏輯。

4 結(jié)束語

專業(yè)戶外手機(jī)采用上述對策后，其抗靜電能力可以滿足相關(guān)的試驗(yàn)要求。企業(yè)在設(shè)計(jì)前期，應(yīng)綜合考慮其靜電防護(hù)措施，提高產(chǎn)品抗靜電能力?！?/p>