移动电话的ESD测试要求及防护设计

陈辉

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

1 引言

移动电话已逐渐成为社会上最普及的电子产品之一，多年的市场抽查结果表明，静电仍是引起手机故障的主要问题之一。了解手机的静电放电（ESD）测试要求及其抗静电设计方法有很重要的作用，这对于提高移动电话的可靠性有很大的帮助。

2 静电成因及危害途径

静电是两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成的。两个带上电荷的物体也就成了静电源。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦所产生的静电是人体带电的主要原因。

静电放电的标准定义为： “具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T 4365-1995）”，一般用ESD表示。它会导致电子设备严重地损坏或操作失常，半导体专家、产品生产厂及用户都在想办法抑制ESD。

ESD基本可以分为3种类型，1）各种电子设备带电引起的静电放电；2）家具、皮具移动或设备移动、毛发或塑料的摩擦引起的静电放电；3）人体电荷或设备移动引起的静电放电。手机在使用过程中最容易受到第3种静电放电的损坏。所以通常在手机的生产和使用过程中，操作者是最活跃的静电源。

ESD可以通过两种方式对线路、电子器件和PCB进行干扰，一种是传导干扰，如果电路的某个部分构成了放电路径，静电放电电流就会直接侵入设备内的电路，例如：人手去触摸印制板上的轨线、管脚、设备的I/O接口端子以及同轴插座的芯线等。这时静电放电电流流过集成片的输入端，造成干扰。另一种是辐射干扰，因为放电的过程是瞬间的ns级，放电峰值电流可以从几个安培到几十个安培，在放电过程中还会产生高频电磁波。

3 移动电话的ESD试验要求

目前，国内对移动电话上市前都有强制的ESD测试要求，具体的试验方法是引用GB/T 17626.2-1998（idt IEC 61000-4-2:1995）： 《电磁兼容试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》这一国家电磁兼容基础标准，并按其中的试验方法进行试验。

对静电的模拟有许多放电模型，而移动电话的静电危害主要来自于人体的放电，标准中的试验方法模拟就是模拟以下人体静电放电模型（如图1所示），放电线路中的储能电容CS代表人体电容，现公认150 pF比较合适。放电电阻Rd为330 Ω，代表手握钥匙或其它金属工具的人体电阻。

以GSM手机为例，我国标准YD 1032-2000《GSM900/DCS1800MHzTDMA数字蜂窝通信系统电磁兼容性限值和测量方法》规定了ESD试验的等级（如表1所示）和判据要求。

试验判据要求：试验时，应建立并保持通信连接。试验后，EUT应正常工作，无用户可察觉的通信质量降低，无用户控制功能的丧失或存储数据的丢失，且保持通信连接。为了在呼叫过程中确认上述性能，还应进行空闲模式下的试验，且发信机不应误操作。

表1 试验等级

4 移动电话主要存在的ESD问题

从功能上看，数字移动电话的电路由射频与基带两大部分组成。包括射频电路中的收发器、频率合成器和功放，基带电路中的数字信息处理和控制器、存储器和电源管理等。随着手机体积的缩小及大规模数字集成电路的使用，静电对手机的危害越来越不可忽视。

由于手机有很多部分用于人机交互，这样就存在着人体静电放电的ESD问题。通常对ESD敏感的手机部位有：SIM卡插座与CPU读卡电路、键盘电路、耳机、麦克风电路、电源接口、数据接口、USB接口以及彩屏LCD驱动接口。测试通常会在以上部位产生放电，严重时就会影响产品的功能。

ESD可能会造成手机可靠性下降、寿命降低。通常表现在工作异常、通信中断、死机，甚至损坏并引发其它的安全问题。而且在很多情况下ESD造成的损害是潜在的，它降低了产品内部器件的抗静电能力，从而降低了产品的使用可靠性，因此，手机需要对ESD产生的瞬态高压加以良好的防护。

5 移动电话ESD防护设计

5.1 手机壳体设计

总体来说，手机壳体的ESD设计要点是防止ESD进入壳体内部，最大限度地减弱其进入壳体的能量。手机正常使用时与人体接触频繁，静电很容易积累在外壳上，甚至会通过缝隙进入产品内部。所以外壳是手机抗ESD的第一道防护。

对于采用金属外壳的手机，不可避免地会有因电路到屏蔽壳体的连接，放电电弧可能产生的传导耦合。改进的方式是在外壳外使用绝缘体或涂绝缘漆或贴绝缘物质（试验表明：好的喷涂材料能使绝缘效果达到20 kV），这样既可以防止因操作者对金属外壳的直接接触放电造成干扰，又可以防止操作者对周围物体放电时形成的干扰耦合到内部。同时在操作者对外壳的孔、洞、缝隙放电时给放电电流一个泄放通道，防止对内部电路直接放电。

但是，对于手机的非金属部分，如显示屏、摄像头，则要求对电路的接地进行仔细的布置，以防止放电电流感应到电路上去。通常采用加屏蔽罩和采用隔离衬垫来弥补显示屏与外壳之间的缝隙。

5.2 手机PCB设计

手机PCB通常为6层板。随着密度的增加，趋势是使用8层板，其设计一直都需要考虑性能与面积的平衡。一方面，越大的空间可以有更多的空间摆放元器件，同时，走线的线宽和线距越宽，对于EMI、音频和ESD等各方面的性能都有好处。另一方面，手机体积设计的小巧又是趋势与需要。所以，设计时需要找到平衡点，需要从隔离，增强单板静电免疫力和采用保护电路的方法等方面综合地进行设计，以下分别加以描述。

a）隔离设计

静电放电需要满足3个条件，即具有一定量的电荷、在一定距离内并且存在着克放电的物体。所以对于PCB来说，控制一定的放电距离非常重要。一般认为，走线离开容易放电的边缘4～8 mm就可以抵抗4～8 kV的静电电压。手机内的敏感器件，如控制器，存储器的放置应尽量远离放电源。

b）单板静电免疫力设计

手机PCB为多层高速PCB，设计时可以通过合理布局、信号线合理处理的方法来增强产品的静电抗干扰能力，基本原则如下：

1）信号线要紧靠PCB上设置的大面积底层和电源层平面，以保证信号回流通路最短，信号环路最小，这样能降低线路对ESD引起的瞬态干扰的敏感程度；

2）对于静电敏感电路，如存储，显示单元可以采用局部屏蔽的方式加以防护；

3）在器件的电源、地脚附近应加不同频率的滤波电容，可以由不同的电容值组合使用（试验证明，ESD引起的干扰脉冲是一个按指数规律衰减的受调制的正弦波，含有丰富的高频分量，因此，应在电源和地之间用高频去耦电容，对射频组件的向外引线应用穿心电容器滤波或采用带滤波器的接插件进行滤波）；

4）对于大规模集成电路，如CPU、EEPROM，FLASH MEMORY、EPLD、FPGA等类型芯片，每个去耦电容应并接一充放电容；

5）对于手机内的时钟和敏感信号线（如复位、无线接收信号）应尽量放在一个布线层内，并一定要采用电源和地层进行屏蔽处理；

6）不同层的GND之间应有尽可能多的通孔相连；

7）在信号线上可以有选择地加入一些电容值合适的电容加以保护，这有助于提高信号线对静电放电的免疫能力（但要注意阻容器件会引起信号失真，选择时要注意其对传输信号的影响）；

8）PCB上不要设置孤立的电源和地平面，避免在受到静电场干扰后无法及时泄放干扰，造成芯片电位抬高输出锁死。

c）PCB保护电路的设计

无论采用何种设计，ESD还会不可避免地进入到手机电路中，尤其是以下几个部件：SIM卡的CPU读卡电路、键盘电路、耳机、麦克风电路、数据接口、电源接口、USB接口和彩屏LCD驱动接口，这些部位很可能将人体的静电引入手机中。所以，需要在这些部分中使用ESD防护器件。

在PCB上广泛采用的是电压瞬变抑制器（TVS）或TransZorb二极管。TVS是半导体器件，由于其最大的特点是快速反应（1～5 ns）、非常低的极间电容（1～3 pf），很小的漏电流（1 μA）和很大的耐流量，尤其是其结合芯片的方式，非常适合各种接口的防护。使用时应注意放在需要保护的器件旁边，到地的连线尽可能地短，器件的布线应成串联型，而不能布成并联型。

另外也可采用内部集成ESD防护功能的接口器件，虽然成本会有所增加，但使用此类器件的好处是不会增加任何输入输出引脚的等效电容，也节省了电路板的面积。

6 结束语

本文对移动电话ESD测试要求及其ESD防护设计进行了探讨，在实际应用中还需要通过多种实践找到一个合理的平衡点。无论采用什么设计方法，都要从系统的角度去考虑问题，结合具体的要求而采用一种或多种设计方法。

[1]GB/T17626.2-1998，电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验 [S].

[2]YD 1032-2000，GSM900/DCS1800MHzTDMA数字蜂窝通信系统电磁兼容性限值和测量方法第一部分：移动台及其辅助设备 [S].

[3]顾海州，马双武.PCB电磁兼容技术-设计实践 [M].北京：清华大学出版社，2004.

[4]白同云.如何实现电磁兼容 [M].中国电子学会电子产品战略研究分会，2000.4.