中心議題：
- 介紹手機的工作原理及存在的靜電問題
- 闡述手機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、PCB設(shè)計、電路設(shè)計中應(yīng)注意的問題
- 提出手機設(shè)計中靜電防護(hù)和改進(jìn)的措施
解決方案：
- 靜電源與其它物體接觸時存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓
- 盡量增加殼體的厚度，避免ESD的能量強度
- 用EMI油漆噴涂在殼體的內(nèi)側(cè)，防止靜電，抑制EMI的干擾
- PCB設(shè)計中應(yīng)該注意的8個要點
靜電是人們非常熟悉的一種自然現(xiàn)象。靜電的許多功能已經(jīng)應(yīng)用到軍工或民用產(chǎn)品中，如靜電除塵、靜電噴涂、靜電分離、靜電復(fù)印等。然而，靜電放電ESD(Electro-Static Discharge)卻又成為電子產(chǎn)品和設(shè)備的一種危害，造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至部件損壞。現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來越大，工作電壓越來越低，導(dǎo)致了半導(dǎo)體器件對外界電磁騷擾敏感程度也大大提高[1]。ESD對于電路引起的干擾、對元器件、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。電子設(shè)備的ESD也開始作為電磁兼容性測試的一項重要內(nèi)容寫入國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。本文就ESD的形成機理、對電子產(chǎn)品的危害，重點就手機設(shè)計中的ESD問題及防護(hù)和設(shè)計改善做了重點研究。
靜電成因及其危害
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物體上而形成。當(dāng)兩個物體接觸時，其中一個趨于從另一個吸引電子，因而二者會形成不同的充電電位。就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦發(fā)生的靜電是人體帶電的主要原因之一。
靜電源與其它物體接觸時，依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。在高速電量的傳送過程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，嚴(yán)重時將其中物體擊毀。這就是靜電放電。國家標(biāo)準(zhǔn)中定義：靜電放電是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/T4365-1995)，一般用ESD表示。ESD會導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞或操作失常。
靜電對器件造成的損壞有顯性和隱性兩種。隱性損壞在當(dāng)時看不出來，但器件變得更脆弱，在過壓、高溫等條件下極易損壞。
ESD兩種主要的破壞機制是：由ESD電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效；由ESD感應(yīng)出過高電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個設(shè)備中同時發(fā)生，例如，絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流，這又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效。
除容易造成電路損害外，靜電放電也極易對電子電路造成干擾。靜電放電對電子電路的干擾有二種方式。一種是傳導(dǎo)干擾，另一種是輻射干擾。
手機電路簡介及其ESD問題
數(shù)字移動電話的電路由射頻與基帶兩大部分組成。其中射頻(RF)電路包括收發(fā)器、頻率合成器和功放等，基帶(Baseband)電路包括數(shù)字信息處理和控制器、存儲器、電源管理和其他外設(shè)部分。以ADI手機為例，其原理框圖如圖1所示。
手機的功能越來越強大，而電路板卻越來越小，集成度越來越高。手機中有幾個部位用于人機交互，這樣就存在著人體靜電放電的ESD問題。手機電路中需要進(jìn)行ESD防護(hù)的部位有：SIM卡插座與CPU讀卡電路、鍵盤電路、耳機、麥克風(fēng)電路、電源接口、數(shù)據(jù)接口、USB接口、彩屏LCD驅(qū)動接口[2]。
ESD可能會造成手機工作異常、死機，甚至損壞并引發(fā)其他的安全問題。所以在手機上市之前，我國都強行要求進(jìn)行入網(wǎng)測試，而入網(wǎng)測試中明確要求進(jìn)行ESD和其它浪涌沖擊的測試。其中接觸放電需要做到±8kV靜電正常，空氣放電需要做到±15kV靜電正常，這就對ESD的設(shè)計提出了較高的要求。
手機中ESD問題解決與防護(hù)
a.殼體的設(shè)計
如果將釋放的靜電看成是洪水的話，那么主要的解決方法與治水類似，就是“堵”和“疏”。如果有一個理想的殼體是密不透風(fēng)的，靜電也就無從而入，當(dāng)然不會有靜電問題了。但實際的殼體在合蓋處常有縫隙，而且許多還有金屬的裝飾片，所以一定要加以注意。
其一，用“堵”的方法。盡量增加殼體的厚度，即增加外殼到電路板之間的距離，或者通過一些等效方法增加殼體氣隙的距離，這樣可以避免或者大大減少ESD的能量強度，如圖2所示。
通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可以增大外殼到內(nèi)部電路之間氣隙的距離，從而使ESD的能量大大減弱。根據(jù)經(jīng)驗，8kV的ESD在經(jīng)過4mm的距離后能量一般衰減為零。
其二，用“疏”的方法?？梢杂肊MI油漆噴涂在殼體的內(nèi)側(cè)。EMI油漆是導(dǎo)電的，可以看成是一個金屬的屏蔽層，這樣可以將靜電導(dǎo)在殼體上；再將殼體與PCB(Printed Circuit Board)的地連接，將靜電從地導(dǎo)走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI的干擾。如果有足夠的空間，還可以用一個金屬屏蔽罩將其中的電路保護(hù)起來，金屬屏蔽罩再連接PCB的GND。圖3是用金屬屏蔽罩將LCD模塊保護(hù)起來的例子。
總之，ESD設(shè)計殼體上需要注意很多地方，首先是盡量不讓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。對于進(jìn)入殼體內(nèi)部的ESD盡量將其從GND導(dǎo)走，不要讓其危害電路的其它部分。殼體上的金屬裝飾物使用時一定要小心，因為很可能帶來意想不到的結(jié)果，需要特別注意。
b.手機PCB設(shè)計
手機PCB(Printed Circuit Board)都是高密度板，通常為6層板。隨著密度的增加，趨勢是使用8層板，其設(shè)計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，走線的線寬和線距越寬，對于EMI、音頻、ESD等各方面性能都有好處。另一方面，手機體積設(shè)計的小巧又是趨勢與需要。所以，設(shè)計時需要找到平衡點。就ESD問題而言，設(shè)計上需要注意的地方很多，尤其是關(guān)于GND布線的設(shè)計以及線距，很有講究[3～4]。有些手機中ESD存在很大的問題，一直找不到原因，通過反復(fù)研究與實驗，發(fā)現(xiàn)是PCB設(shè)計中出現(xiàn)的問題。為此，這里總結(jié)了PCB設(shè)計中應(yīng)該注意的要點：
(1)PCB板邊(包括通孔Via邊界)與其它布線之間的距離應(yīng)大于0.3mm；
(2)PCB的板邊最好全部用GND走線包圍；
(3)GND與其它布線之間的距離保持在0.2mm~0.3mm；
(4)Vbat與其它布線之間的距離保持在0.2mm~0.3mm；
(5)重要的線如Reset、Clock等與其它布線之間的距離應(yīng)大于0.3mm；
(6)大功率的線如PA等與其它布線之間的距離保持在0.2mm~0.3mm；
(7)不同層的GND之間應(yīng)有盡可能多的通孔(Via)相連；
(8)在最后的鋪地時應(yīng)盡量避免尖角，有尖角應(yīng)盡量使其平滑。
c.手機電路設(shè)計
在殼體和PCB的設(shè)計中，對ESD問題加以注意之后，ESD還會不可避免地進(jìn)入到手機電路中，尤其是以下幾個部位：SIM卡的CPU讀卡電路、鍵盤電路、耳機、麥克風(fēng)電路、數(shù)據(jù)接口、電源接口、USB接口、彩屏LCD驅(qū)動接口，這些部位很可能將人體的靜電引入手機中。所以，需要在這些部分中使用ESD防護(hù)器件。ESD防護(hù)器件主要有以下幾種：
(1)氣體放電管(GDT)。它是具有一定氣密的玻璃或陶瓷外殼，中間充滿穩(wěn)定的氣體，如氖或氬，并保持一定壓力。GDT通流量大、極間電容小，可自行恢復(fù)，其缺點是響應(yīng)速度太慢，放電電壓不夠精確，壽命短，電性能會隨時間老化。
(2)壓敏電阻(MOV)。它是陶瓷元件，將氧化鋅和添加劑在一定條件下“燒結(jié)”，電阻受電壓的強烈影響，其電流隨著電壓的升高而急劇上升。壓敏電阻內(nèi)部發(fā)熱量很大，其缺點是響應(yīng)速度慢，性能會因多次使用而變差，極間電容大。
(3)閘流二極管(TSS)。它是半導(dǎo)體元件，閘流二極管開始時不會導(dǎo)通，處于“阻斷”狀態(tài)。當(dāng)“過電壓”上升到閘流管的“放電電壓”時，導(dǎo)通并產(chǎn)生放電電流；當(dāng)電流下降到最小值時，閘流管會重新“阻斷”，并恢復(fù)到原來的“斷路狀態(tài)”。
(4)瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。它是半導(dǎo)體器件，由于其最大特點是快速反應(yīng)(1ns～5ns)、非常低的極間電容(1pf～3pf)，很小的漏電流(1μA)和很大的耐流量,尤其是其組合芯片的方式,非常適合各種接口的防護(hù)[5]。
因為TVS具有體積小、反應(yīng)速度快等優(yōu)點，現(xiàn)在的設(shè)計中使用TVS作為防護(hù)器件的比例越來越多。目前TVS級間等效電容越做越小，所以適合芯片的保護(hù)。在使用時應(yīng)注意放在需要保護(hù)的器件旁邊，到地的連線盡可能短，器件的布線應(yīng)成串聯(lián)型，而不能布成并聯(lián)型。如圖4所示。
ESD的問題是眾多重要問題之一。在不同的電子設(shè)備中有不同的方式來避免對電路的危害。由于手機體積小、密度大，在ESD的防護(hù)上有其獨到的特點。手機的靜電測試實驗證明，采用本文的設(shè)計方法處理，將一個原本±2kV放電就會死機的手機加以保護(hù)和改進(jìn)，在±8kV的靜電放電情況下依然保持通話正常且工作穩(wěn)定，起到了很好的靜電防護(hù)效果。隨著電子設(shè)備使用的日益廣泛，ESD設(shè)計是每一個結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師和電子設(shè)計工程師需要重點關(guān)心的問題，通過不斷總結(jié)與學(xué)習(xí)，ESD問題將不再是一個難題。
