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(dòng)電話已逐漸成為社會(huì)上最普及的電子產(chǎn)品之一，多年的市場(chǎng)抽查結(jié)果表明，靜電仍是引起手機(jī)故障的主要問(wèn)題之一。了解手機(jī)的靜電放電（ESD）測(cè)試要求及其抗靜電設(shè)計(jì)方法有很重要的作用，這對(duì)于提高移動(dòng)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(gè)物體上而形成的。兩個(gè)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(huì)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(lèi)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(dòng)或設(shè)備移動(dòng)、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(dòng)引起的靜電放電。手機(jī)在使用過(guò)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(guò)程中，操作者是最活躍的靜電源。

ESD可以通過(guò)兩種方式對(duì)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(gè)部分構(gòu)成了放電路徑，靜電放電電流就會(huì)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(shí)靜電放電電流流過(guò)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^(guò)程是瞬間的ns級(jí)，放電峰值電流可以從幾個(gè)安培到幾十個(gè)安培，在放電過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波。

3 移動(dòng)電話的ESD試驗(yàn)要求

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)移動(dòng)電話上市前都有強(qiáng)制的ESD測(cè)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(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》這一國(guó)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(duì)靜電的模擬有許多放電模型，而移動(dòng)電話的靜電危害主要來(lái)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(chǔ)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(guó)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(cè)量方法》規(guī)定了ESD試驗(yàn)的等級(jí)（如表1所示）和判據(jù)要求。

試驗(yàn)判據(jù)要求：試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)建立并保持通信連接。試驗(yàn)后，EUT應(yīng)正常工作，無(wú)用戶可察覺(jué)的通信質(zhì)量降低，無(wú)用戶控制功能的喪失或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的丟失，且保持通信連接。為了在呼叫過(guò)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(jí)

4 移動(dòng)電話主要存在的ESD問(wèn)題

從功能上看，數(shù)字移動(dòng)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(chǔ)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(duì)手機(jī)的危害越來(lái)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(wèn)題。通常對(duì)ESD敏感的手機(jī)部位有：SIM卡插座與CPU讀卡電路、鍵盤(pán)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(dòng)接口。測(cè)試通常會(huì)在以上部位產(chǎn)生放電，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)影響產(chǎn)品的功能。

ESD可能會(huì)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(wèn)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(duì)ESD產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓加以良好的防護(hù)。

5 移動(dòng)電話ESD防護(hù)設(shè)計(jì)

5.1 手機(jī)殼體設(shè)計(jì)

總體來(lái)說(shuō)，手機(jī)殼體的ESD設(shè)計(jì)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(shí)與人體接觸頻繁，靜電很容易積累在外殼上，甚至?xí)ㄟ^(guò)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(duì)于采用金屬外殼的手機(jī)，不可避免地會(huì)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(duì)金屬外殼的直接接觸放電造成干擾，又可以防止操作者對(duì)周?chē)矬w放電時(shí)形成的干擾耦合到內(nèi)部。同時(shí)在操作者對(duì)外殼的孔、洞、縫隙放電時(shí)給放電電流一個(gè)泄放通道，防止對(duì)內(nèi)部電路直接放電。

但是，對(duì)于手機(jī)的非金屬部分，如顯示屏、攝像頭，則要求對(duì)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(lái)彌補(bǔ)顯示屏與外殼之間的縫隙。

5.2 手機(jī)PCB設(shè)計(jì)

手機(jī)PCB通常為6層板。隨著密度的增加，趨勢(shì)是使用8層板，其設(shè)計(jì)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(shí)，走線的線寬和線距越寬，對(duì)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(jì)的小巧又是趨勢(shì)與需要。所以，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)，以下分別加以描述。

a）隔離設(shè)計(jì)

靜電放電需要滿足3個(gè)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(duì)于PCB來(lái)說(shuō)，控制一定的放電距離非常重要。一般認(rèn)為，走線離開(kāi)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(chǔ)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(jì)

手機(jī)PCB為多層高速PCB，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)合理布局、信號(hào)線合理處理的方法來(lái)增強(qiáng)產(chǎn)品的靜電抗干擾能力，基本原則如下：

1）信號(hào)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(hào)回流通路最短，信號(hào)環(huán)路最小，這樣能降低線路對(duì)ESD引起的瞬態(tài)干擾的敏感程度；

2）對(duì)于靜電敏感電路，如存儲(chǔ)，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(gè)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(duì)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(duì)于大規(guī)模集成電路，如CPU、EEPROM，F(xiàn)LASH MEMORY、EPLD、FPGA等類(lèi)型芯片，每個(gè)去耦電容應(yīng)并接一充放電容；

5）對(duì)于手機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘和敏感信號(hào)線（如復(fù)位、無(wú)線接收信號(hào)）應(yīng)盡量放在一個(gè)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(hào)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(hào)線對(duì)靜電放電的免疫能力（但要注意阻容器件會(huì)引起信號(hào)失真，選擇時(shí)要注意其對(duì)傳輸信號(hào)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(chǎng)干擾后無(wú)法及時(shí)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(jì)

無(wú)論采用何種設(shè)計(jì)，ESD還會(huì)不可避免地進(jìn)入到手機(jī)電路中，尤其是以下幾個(gè)部件：SIM卡的CPU讀卡電路、鍵盤(pán)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(dòng)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(shí)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(huì)有所增加，但使用此類(lèi)器件的好處是不會(huì)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(yǔ)

本文對(duì)移動(dòng)電話ESD測(cè)試要求及其ESD防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，在實(shí)際應(yīng)用中還需要通過(guò)多種實(shí)踐找到一個(gè)合理的平衡點(diǎn)。無(wú)論采用什么設(shè)計(jì)方法，都要從系統(tǒng)的角度去考慮問(wèn)題，結(jié)合具體的要求而采用一種或多種設(shè)計(jì)方法。

[1]GB/T17626.2-1998，電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)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(cè)量方法第一部分：移動(dòng)臺(tái)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(jì)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(guó)電子學(xué)會(huì)電子產(chǎn)品戰(zhàn)略研究分會(huì)，2000.4.