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手机静电放电的ESD问题解决与防护
点击次数:4269 发布时间:2016-08-17

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。 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

一、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。用金属屏蔽罩将模块保护起来。 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,zui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。

二、 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。

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zui后的铺地时应尽量避免尖角,有尖角应尽量使其平滑。

三、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,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zui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zui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。 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。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。 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。

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