手机ESD防护知识与大家分享

ashao

所有数码产品的静电防护都基本相似，手机这个产品非常具有代表性，这里重点介绍一下手机的结构设计、PCB设计、电路设计中的应注意的问题，提出了手机设计中静电防护和改进的措施。并就ESD的形成机理、对电子产品的危害，重点就手机设计中的ESD问题及防护和设备改善做了重点研究。
关键词：静电 手机 ESD TVS
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。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。
1.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特体上而形成。当两个物体接触时，其中一个趋从于另一个吸引电子，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，依据电荷中和的物理存在着电荷流动，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特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。      

2.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。
手机的功能越来越强大，而电路板却越来越小，集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。成度越来越高。手机有几个部分用于人机交互，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。

3.手机中ESD问题解决与防护
3.1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。尽量增加壳体的厚离，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。
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。根据试验，8kV的ESD在通过过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。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。
3.2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布线的设计以及线矩，很有讲究。有些手机中ESD存在很大的问题，一直找不到原因，经过反复研究与实验，发现是PCB设计中的出现的问题。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。
3.3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、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，电性能会随时间变化。
（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，尤其是其结合芯片的方式，
非常适合各种接口的防护。
（5）静电阻抗器（ESD).它也是陶瓷器件，它也是压敏器件的一种，由于有一些特殊的材料使它又有了TVS的一些特性，反应时间变得更快（最小可以<0.5ns）、电容值也更小（最小可以<0.05pf）、漏电流最小可达0.1μA，正是器件里面材质的不纯性令静电通过器件时以大量发热的形式消耗了静电。
因为ESD器件以及TVS具有体积小、反应速度快等优点，现在的设计中使用作为防护器件的比例越来越多。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，器件的布线应成并联型，而不能布成串联型。
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，将一个原本在± 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。
以上是本人总结的一点看法，大家有什么更好的见解，多多交流一下。 [br]<p align=right><font color=red>+1 RD币</font></p>

cqlb

缩小PCB，也难啊，现在在板子上是寸土必争啊~~~
金属件接地也不太好实现，受制于成本啊~~~~只有在金属件和PCB器件布局上下功夫了。。。[em03]

ashao

二楼的朋友你说的情况是时下手机行业普遍遇到的问题，手机功能基本就是那么多，能够吸引顾客的只能在外观上做文章。
外壳上加金属挂饰确实是对手机抗ESD提出了很高的要求，我觉得有三种方案可以缓解这方面的问题：
1、频闭；把手机PCB板尽量与外壳的间距拉长，距离足够远（大于4mm）ESD就不会通过外壳对PCB板形成空气放电。
2、导流；把外壳或金属挂饰接上pcb板的地线上，可以有效缓解ESD对手机的破坏，虽然你说客户不想把金属挂饰接地，但你是工程师这个你应该有能力解决。
3、加防护ESD器件；有些端口，例如：USB、音频等外露端口是做不到频闭跟导流怎么办？那就加一些防护ESD的器件。可以有效吸收ESD的静电电压。
以上是一些本人的一些看法，如有其他见解希望大家可以多交流。[em01][br]<p align=right><font color=red>+1 RD币</font></p>

aquarius_zb

楼主说的有理，但是现在客户不会看这些东西，也不懂，他们的观点是什么赚钱就做什么，现在都喜欢手机外壳有金属装饰件，他们就猛加，又不接地。
楼主对这种金属装饰件的ESD是否有经验？共享下。

zwymy168

hao dongdong[em02]

ldxd520

学习了。

wasxpjyh

学习了，谢谢楼主[em08]

lijun3720

学习了,谢谢楼主

andyhome

非常感谢楼主！

lmh1986330

本人不太赞同第一个方案，（1、频闭；把手机PCB板尽量与外壳的间距拉长，距离足够远（大于4mm）ESD就不会通过外壳对PCB板形成空气放电。）[/COLOR]
   请问如果将外壳加宽加厚，请问客户接受吗？再者现在产品都是以薄、小巧、时尚为主要因数，此方案是否能满足市场需求。[em04]

ashao

我所指的拉长外壳与PCB板之间的距离，你说的加大外壳是一个方法，也可以缩小PCB板，这得看你适合什么样的方法来做而已，并不是千篇一律的。也就是说在你开发初期的时候把这些问题考虑进去，可以比较有效的避免静电对手机的干扰；
这里所描述的都是慨述，具体到每个机型还是得针对具体问题来解决；

zhongye

说的不错,楼主应该在这个领域比较久了吧,顶!!

cahngqing

受益了，[em01]

jingjing1815

学习[em01][em01]

youxia0309

楼上说的是,我们公司做的一个项目,就是受制于成本把开始效果很好的接地弹簧都去掉了.....第一个方案实施起来确实有难度,你想把板子做小,客户也想把外壳做小.

brownlu

学习了，ESD的问题太多了，要在实践中总结

alee_love

受益了
[em08][em08][em08]

Tommy_cn

最近做的几个外销项目对EMC、EMI要求很搞，常常感觉头大，这个文章让我受教了。

alphasyc99

[em10][em11]

NKHH

我认为ESD的设计是没有必要的我们手中的手机是和人本身处同一电位,不存在高压,因为手机是不接地的,是在人的手中或者身体上,是不接地的,悬空的东西哪来电压一说?除非你是只总带有接有大地线的手机.