基于移动通讯终端的ESD问题研究 - 电子元件技术

基于移动通讯终端的ESD问题研究

上网时间：2008-10-22   作者：尹 令1， 张丽霞1， 夏玥2   来源：1. 华南农业大学计算机系， 广东 广州 510462；2. 广州南方高科有限公司, 广东 广州510550

中心议题：

• 介绍手机的工作原理及存在的静电问题
• 阐述手机的结构设计、PCB设计、电路设计中应注意的问题
• 提出手机设计中静电防护和改进的措施

解决方案：

• 静电源与其它物体接触时存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压
• 尽量增加壳体的厚度，避免ESD的能量强度
• 用EMI油漆喷涂在壳体的内侧，防止静电，抑制EMI的干扰
• PCB设计中应该注意的8个要点

 

静电是人们非常熟悉的一种自然现象。静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中，如静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。然而，静电放电ESD(Electro-Static Discharge)却又成为电子产品和设备的一种危害，造成电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。现代半导体器件的规模越来越大，工作电压越来越低，导致了半导体器件对外界电磁骚扰敏感程度也大大提高[1]。ESD对于电路引起的干扰、对元器件、CMOS电路及接口电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视。电子设备的ESD也开始作为电磁兼容性测试的一项重要内容写入国家标准和国际标准。本文就ESD的形成机理、对电子产品的危害，重点就手机设计中的ESD问题及防护和设计改善做了重点研究。

静电成因及其危害
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。当两个物体接触时，其中一个趋于从另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。

静电源与其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。在高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击毁。这就是静电放电。国家标准中定义：静电放电是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/T4365-1995)，一般用ESD表示。ESD会导致电子设备严重损坏或操作失常。

静电对器件造成的损坏有显性和隐性两种。隐性损坏在当时看不出来，但器件变得更脆弱，在过压、高温等条件下极易损坏。

ESD两种主要的破坏机制是：由ESD电流产生热量导致设备的热失效；由ESD感应出过高电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生，例如，绝缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致热失效。

除容易造成电路损害外，静电放电也极易对电子电路造成干扰。静电放电对电子电路的干扰有二种方式。一种是传导干扰，另一种是辐射干扰。

手机电路简介及其ESD问题
数字移动电话的电路由射频与基带两大部分组成。其中射频(RF)电路包括收发器、频率合成器和功放等，基带(Baseband)电路包括数字信息处理和控制器、存储器、电源管理和其他外设部分。以ADI手机为例，其原理框图如图1所示。
 

 

手机的功能越来越强大，而电路板却越来越小，集成度越来越高。手机中有几个部位用于人机交互，这样就存在着人体静电放电的ESD问题。手机电路中需要进行ESD防护的部位有：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、彩屏LCD驱动接口[2]。

ESD可能会造成手机工作异常、死机，甚至损坏并引发其他的安全问题。所以在手机上市之前，我国都强行要求进行入网测试，而入网测试中明确要求进行ESD和其它浪涌冲击的测试。其中接触放电需要做到±8kV静电正常，空气放电需要做到±15kV静电正常，这就对ESD的设计提出了较高的要求。

手机中ESD问题解决与防护
a.壳体的设计
如果将释放的静电看成是洪水的话，那么主要的解决方法与治水类似，就是“堵”和“疏”。如果有一个理想的壳体是密不透风的，静电也就无从而入，当然不会有静电问题了。但实际的壳体在合盖处常有缝隙，而且许多还有金属的装饰片，所以一定要加以注意。

其一，用“堵”的方法。尽量增加壳体的厚度，即增加外壳到电路板之间的距离，或者通过一些等效方法增加壳体气隙的距离，这样可以避免或者大大减少ESD的能量强度，如图2所示。
 

 

通过结构的改进，可以增大外壳到内部电路之间气隙的距离，从而使ESD的能量大大减弱。根据经验，8kV的ESD在经过4mm的距离后能量一般衰减为零。

其二，用“疏”的方法。可以用EMI油漆喷涂在壳体的内侧。EMI油漆是导电的，可以看成是一个金属的屏蔽层，这样可以将静电导在壳体上；再将壳体与PCB(Printed Circuit Board)的地连接，将静电从地导走。这样处理的方法除了可以防止静电，还能有效抑制EMI的干扰。如果有足够的空间，还可以用一个金属屏蔽罩将其中的电路保护起来，金属屏蔽罩再连接PCB的GND。图3是用金属屏蔽罩将LCD模块保护起来的例子。
总之，ESD设计壳体上需要注意很多地方，首先是尽量不让ESD进入壳体内部，最大限度地减弱其进入壳体的能量。对于进入壳体内部的ESD尽量将其从GND导走，不要让其危害电路的其它部分。壳体上的金属装饰物使用时一定要小心，因为很可能带来意想不到的结果，需要特别注意。
 

b.手机PCB设计
手机PCB(Printed Circuit Board)都是高密度板，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、ESD等各方面性能都有好处。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。就ESD问题而言，设计上需要注意的地方很多，尤其是关于GND布线的设计以及线距，很有讲究[3～4]。有些手机中ESD存在很大的问题，一直找不到原因，通过反复研究与实验，发现是PCB设计中出现的问题。为此，这里总结了PCB设计中应该注意的要点：
(1)PCB板边(包括通孔Via边界)与其它布线之间的距离应大于0.3mm；
(2)PCB的板边最好全部用GND走线包围；
(3)GND与其它布线之间的距离保持在0.2mm~0.3mm；
(4)Vbat与其它布线之间的距离保持在0.2mm~0.3mm；
(5)重要的线如Reset、Clock等与其它布线之间的距离应大于0.3mm；
(6)大功率的线如PA等与其它布线之间的距离保持在0.2mm~0.3mm；
(7)不同层的GND之间应有尽可能多的通孔(Via)相连；
(8)在最后的铺地时应尽量避免尖角，有尖角应尽量使其平滑。

c.手机电路设计
在壳体和PCB的设计中，对ESD问题加以注意之后，ESD还会不可避免地进入到手机电路中，尤其是以下几个部位：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、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。ESD防护器件主要有以下几种：
(1)气体放电管(GDT)。它是具有一定气密的玻璃或陶瓷外壳，中间充满稳定的气体，如氖或氩，并保持一定压力。GDT通流量大、极间电容小，可自行恢复，其缺点是响应速度太慢，放电电压不够精确，寿命短，电性能会随时间老化。

(2)压敏电阻(MOV)。它是陶瓷元件，将氧化锌和添加剂在一定条件下“烧结”，电阻受电压的强烈影响，其电流随着电压的升高而急剧上升。压敏电阻内部发热量很大，其缺点是响应速度慢，性能会因多次使用而变差，极间电容大。

(3)闸流二极管(TSS)。它是半导体元件，闸流二极管开始时不会导通，处于“阻断”状态。当“过电压”上升到闸流管的“放电电压”时，导通并产生放电电流；当电流下降到最小值时，闸流管会重新“阻断”，并恢复到原来的“断路状态”。

(4)瞬态电压抑制器(TVS)。它是半导体器件，由于其最大特点是快速反应(1ns～5ns)、非常低的极间电容(1pf～3pf)，很小的漏电流(1μA)和很大的耐流量,尤其是其组合芯片的方式,非常适合各种接口的防护[5]。

因为TVS具有体积小、反应速度快等优点，现在的设计中使用TVS作为防护器件的比例越来越多。目前TVS级间等效电容越做越小，所以适合芯片的保护。在使用时应注意放在需要保护的器件旁边，到地的连线尽可能短，器件的布线应成串联型，而不能布成并联型。如图4所示。
 

 

ESD的问题是众多重要问题之一。在不同的电子设备中有不同的方式来避免对电路的危害。由于手机体积小、密度大，在ESD的防护上有其独到的特点。手机的静电测试实验证明，采用本文的设计方法处理，将一个原本±2kV放电就会死机的手机加以保护和改进，在±8kV的静电放电情况下依然保持通话正常且工作稳定，起到了很好的静电防护效果。随着电子设备使用的日益广泛，ESD设计是每一个结构设计工程师和电子设计工程师需要重点关心的问题，通过不断总结与学习，ESD问题将不再是一个难题。