音頻視頻類產(chǎn)品防靜電設(shè)計(jì)

韓志剛

摘要：本文描述了靜電的基本概念，介紹了音視頻類產(chǎn)品受靜電危害的原因，講解了音視頻產(chǎn)品防靜電測(cè)試要求以及針對(duì)靜電防護(hù)的一些有效設(shè)計(jì)對(duì)策。

關(guān)鍵詞：靜電防護(hù)；測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計(jì)；對(duì)策

靜電是一種客觀存在的自然現(xiàn)象，產(chǎn)生的方式多種多樣，如接觸、摩擦、電器間感應(yīng)等。在日常生活中人們也常常碰到靜電現(xiàn)象：晚上脫毛織或化纖衣物時(shí)聽(tīng)到響聲或看到光亮；與人握手時(shí)手指剛一接觸到對(duì)方，會(huì)突然感到指尖針刺般刺痛；這都是發(fā)生在人體身上的靜電，而且人體靜電電壓可高達(dá)1萬(wàn)多伏。對(duì)于音頻視頻類（Audio and Video）消費(fèi)電子產(chǎn)品，產(chǎn)品內(nèi)的許多集成電路芯片供電電壓低，可承受電流極小，如果設(shè)計(jì)之初不注意靜電的防護(hù)，極可能在產(chǎn)品使用過(guò)程中因靜電接觸產(chǎn)生工作不良、死機(jī)甚至損壞。

音頻視頻類電子產(chǎn)品【比如電視機(jī)、DVD、成套音響產(chǎn)品等】廣泛使用于家庭中、演出場(chǎng)合、公共廣播系統(tǒng)等，絕大部分都需要人體直接觸碰產(chǎn)品表面的按鍵旋鈕、插接各種產(chǎn)品表面的輸入輸出接口實(shí)現(xiàn)播放連接、控制等，成品設(shè)計(jì)中的靜電防護(hù)對(duì)策是每一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師都必須面對(duì)的問(wèn)題。本文通過(guò)介紹靜電接觸對(duì)音視頻產(chǎn)品產(chǎn)生危害的原因，說(shuō)明音視頻類電子產(chǎn)品預(yù)防靜電設(shè)計(jì)的方案和對(duì)策。

一、靜電特性簡(jiǎn)介

靜電是一種處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷或者說(shuō)不流動(dòng)的電荷（流動(dòng)的電荷就形成了電流）。當(dāng)電荷聚集在某個(gè)物體上或表面時(shí)就形成了靜電。電荷分為正電荷和負(fù)電荷兩種，也就是說(shuō)靜電現(xiàn)象也分為兩種即正靜電和負(fù)靜電。當(dāng)帶靜電物體接觸零電位物體（接地物體）或與其有電位差的物體時(shí)都會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，也就形成了我們所經(jīng)歷的一些因靜電而產(chǎn)生損害的現(xiàn)象。人在地毯或沙發(fā)上立起時(shí)，人體電壓也可高1萬(wàn)多伏，而橡膠和塑料薄膜行業(yè)的靜電更是可高達(dá)10多萬(wàn)伏。

靜電具有高電壓、低電量、小電流和作用時(shí)間短等特點(diǎn)，因?yàn)樗查g的高電壓，很多電器產(chǎn)品中的電子元器件可能就因此損壞。靜電在多個(gè)領(lǐng)域造成嚴(yán)重危害，摩擦起電和人體靜電是電子工業(yè)產(chǎn)品中的兩大危害根源。大部分國(guó)家都強(qiáng)制要求電子產(chǎn)品必須通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)靜電測(cè)試才可以在市場(chǎng)流通。

靜電釋放現(xiàn)象我們簡(jiǎn)稱為ESD（ElectroStatic discharge），在消費(fèi)電子產(chǎn)品中ESD防護(hù)性能是每個(gè)生產(chǎn)廠家都必須直面的產(chǎn)品性能項(xiàng)目之一。

二、靜電接觸對(duì)音視頻產(chǎn)品產(chǎn)生危害的原因

音視頻電子產(chǎn)品用于人們?nèi)粘５纳願(yuàn)蕵?lè)，在科技高度發(fā)達(dá)的今天已經(jīng)是人們身邊不可或缺的消費(fèi)品和常用品。由于它們是用于播放音視頻文件，大部分常規(guī)產(chǎn)品人們需要觸控到產(chǎn)品表面以進(jìn)行播放控制操作。

以現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的藍(lán)牙無(wú)線音箱產(chǎn)品為例，人們需要觸控音箱表面的許多按鍵和旋鈕進(jìn)行電源開(kāi)關(guān)、音量加減、上下曲選曲、藍(lán)牙連接等音樂(lè)播放控制；音箱外部也有電源接口、USB接口、各種音頻輸入輸出接口【比如AUX IN輸入、光纖信號(hào)輸入、RCA接口輸入、LINE OUT輸出口】需要進(jìn)行接觸操作。這些操控按鍵和旋鈕，輸入或輸出接口對(duì)應(yīng)的電子元件在電流回路中均直接連入了音箱系統(tǒng)的其他電子元件和電路系統(tǒng)中，人體或其他外接設(shè)備【比如帶端子的線材】所帶的高壓靜電由于物理接觸很容易直接進(jìn)入音箱電路系統(tǒng)，對(duì)各種關(guān)鍵電子元器件產(chǎn)生直接的電路干擾，嚴(yán)重的情況下直接損壞電子元器件以及整個(gè)產(chǎn)品。

某音箱產(chǎn)品圖示：

綜合上述說(shuō)明，消費(fèi)電子產(chǎn)品廠家在音視頻產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，不得不在預(yù)防靜電這一方面做好對(duì)應(yīng)的對(duì)策，在發(fā)布產(chǎn)品前應(yīng)當(dāng)做好防靜電性能的測(cè)試確認(rèn)。

三、音頻視頻類電子產(chǎn)品靜電防護(hù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及說(shuō)明

對(duì)于音頻視頻類電子產(chǎn)品，各國(guó)均有對(duì)應(yīng)的強(qiáng)制安規(guī)（Safety）以及電磁兼容（EMC）認(rèn)證測(cè)試法規(guī)要求。EMC測(cè)試又包含電磁干擾（EMI）和電磁抗擾（EMS）兩大項(xiàng)，而靜電防護(hù)測(cè)試【ESD測(cè)試】則屬于電磁抗擾EMS測(cè)試中的重要項(xiàng)目。ESD測(cè)試使用專業(yè)的ESD靜電槍測(cè)試設(shè)備，對(duì)于產(chǎn)品有接觸測(cè)試和空氣放電測(cè)試兩大類。

（一）接觸測(cè)試

對(duì)于音視頻產(chǎn)品人體手掌可以接觸的金屬件表面（含絕緣涂層的金屬件）、塑料電鍍后導(dǎo)電的導(dǎo)電表面，要用靜電測(cè)試儀器的尖嘴槍嘴接觸導(dǎo)電表面，用±4kV高壓放電10次。測(cè)試過(guò)程中若音視頻產(chǎn)品播放信號(hào)無(wú)中斷，指示元件無(wú)異常，產(chǎn)品其他無(wú)仼何異常，屬A級(jí)靜電測(cè)試通過(guò)。

若音視頻信號(hào)有中斷或指示元件有臨時(shí)異常，但產(chǎn)品本身可以自動(dòng)恢復(fù)（只可以用放電棒對(duì)音視頻產(chǎn)品放電，不能進(jìn)行仼何按鍵操作）且產(chǎn)品無(wú)其他異常，待自動(dòng)恢復(fù)后產(chǎn)品可正常按鍵操作，屬B級(jí)靜電測(cè)試通過(guò)。

大部分國(guó)家法規(guī)對(duì)于接觸測(cè)試A級(jí)B級(jí)通過(guò)均可接受（包括中國(guó)的CCC認(rèn)證），個(gè)別國(guó)家對(duì)于測(cè)試條件有不同要求，比如巴西要求接觸測(cè)試電壓為±6kV.

有USB外接口的音視頻產(chǎn)品，一些國(guó)家（歐洲、韓國(guó)等）要?dú)w入IT類產(chǎn)品要求，接觸測(cè)試±4kV高壓放電25次。

（二）空氣放電測(cè)試

通常對(duì)音視頻產(chǎn)品的塑膠、橡膠類部件的表面縫隙、按鍵位和3.5mm音頻端子接口、 DC 接口、RCA 端子接口、USB 接口等元件塑膠填充位置，要用靜電測(cè)試儀器圓嘴槍嘴在空氣距離被測(cè)試物體表面12mm處用±8kV高壓放電10次。若音視頻播放信號(hào)無(wú)中斷，指示元件無(wú)異常，產(chǎn)品其他無(wú)仼何異常，屬A級(jí)靜電測(cè)試通過(guò)。

若音視頻信號(hào)有中斷或指示元件有臨時(shí)異常，但產(chǎn)品本身可以自動(dòng)恢復(fù)（只可以用放電棒對(duì)音視頻產(chǎn)品放電，不能進(jìn)行仼何按鍵操作）且產(chǎn)品無(wú)其他異常，待自動(dòng)恢復(fù)后產(chǎn)品可正常按鍵操作，屬B級(jí)靜電測(cè)試通過(guò)。

大部分國(guó)家法規(guī)對(duì)于空氣放電測(cè)試A級(jí)B級(jí)通過(guò)均可接受（包括中國(guó)的CCC認(rèn)證）。有些品牌商家為保障產(chǎn)品性能，內(nèi)部測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)苛，對(duì)音視頻產(chǎn)品內(nèi)部靜電空氣放電測(cè)試電壓要求達(dá)到±16kV。

四、音頻視頻類電子產(chǎn)品防靜電設(shè)計(jì)對(duì)策分析說(shuō)明

音視頻產(chǎn)品屬于通電工作的電子產(chǎn)品，在工作過(guò)程中隨時(shí)可能遇到外部的靜電干擾導(dǎo)致電路中的元器件損壞。音視頻產(chǎn)品的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)要開(kāi)始于產(chǎn)品最初的工業(yè)設(shè)計(jì)、電路原理設(shè)計(jì)等。下面簡(jiǎn)單介紹一些針對(duì)音視頻產(chǎn)品的靜電防護(hù)的設(shè)計(jì)和對(duì)策方法。

1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期要構(gòu)思對(duì)產(chǎn)品中金屬或塑膠類部件ESD的預(yù)防：優(yōu)先對(duì)按鍵/旋鈕及其所在的PCB組件進(jìn)行處理，利用簡(jiǎn)單的塑料或橡膠等遮擋隔離靜電進(jìn)入PCB組件。

例A：某音箱使用橡膠套蓋住按鍵以及整塊PCB組件。

例B：某音箱使用橡膠皮蓋住帶按鍵的FPC【柔性PCB】板組件，既起到靜電防護(hù)作用又使得按鍵手感柔軟舒適，并在一定程度上提升了外觀設(shè)計(jì)美感。

對(duì)于音視頻產(chǎn)品的按鍵，特別是觸摸按鍵，其按鍵PCB組件與系統(tǒng)的MCU（Microcontroller Unit微控制單元）芯片直接連接，如果靜電接觸到按鍵，高壓可能直接損害到MCU芯片。工業(yè)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期要構(gòu)思好按鍵的靜電防護(hù)才能更好地處理MCU 失控的ESD難題。

2）若產(chǎn)品表面有大塊的金屬件、金屬網(wǎng)罩，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要在金屬面上加鏍絲孔，打上螺絲后方便使用單根電線連接金屬面板和音箱內(nèi)部的PCB組件的地線網(wǎng)絡(luò)（零電平網(wǎng)絡(luò)）。如果產(chǎn)品外部有USB接口類金屬部分，USB端子元件的金屬部分管腳需要接入所在PCB組件的地線網(wǎng)絡(luò)。這樣操作使得金屬表面一旦帶上靜電，馬上可以流入音箱內(nèi)部的PCB組件地線網(wǎng)絡(luò)中，不對(duì)信號(hào)電路產(chǎn)生影響。

3）輸入輸出接口以及各種裸露在外的信號(hào)控制開(kāi)關(guān)或接口，在電路設(shè)計(jì)中針對(duì)它們的信號(hào)線加上ESD保護(hù)電路或者直接在信號(hào)線上加上專業(yè)的對(duì)地ESD保護(hù)器件。

RLC電路是常見(jiàn)的ESD保護(hù)電路，如下圖所示。

專業(yè)的ESD保護(hù)器件，目前市場(chǎng)上的TVS管（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR，或稱瞬變電壓抑制二極管）是比較常用且有效的電子元件。針對(duì)信號(hào)在電路中的參數(shù)，可以選擇合適的TVS管進(jìn)行匹配。使用方法為將TVS管一端接信號(hào)，一端接地即可。

以上兩種電路處理方式，均要將ESD電路擺放在靜電干擾的信號(hào)源頭，以便盡快將電路上帶入的靜電泄放到地線網(wǎng)絡(luò)上。

4）用軟件自動(dòng)復(fù)位的方式解決ESD干擾帶來(lái)的產(chǎn)品瞬間工作不良問(wèn)題。目前的音視頻產(chǎn)品電路中均有MCU控制單元，如果某產(chǎn)品本身MCU芯片不會(huì)受到靜電干擾而其他電路存在受到靜電干擾的可能，可以通過(guò)完善產(chǎn)品軟件讓MCU自動(dòng)檢測(cè)其他電路部分是否工作正常（如數(shù)字信號(hào)處理DSP部分，視頻譯碼器芯片部分，驅(qū)動(dòng)芯片部分），檢測(cè)到工作故障后讓MCU重新復(fù)位故障芯片以達(dá)到恢復(fù)產(chǎn)品正常工作的目的。

若MCU控制單元從檢測(cè)到有故障到恢復(fù)產(chǎn)品正常工作的時(shí)間小于300毫秒，因人的眼睛、耳朵無(wú)法發(fā)現(xiàn)明顯的播放信號(hào)頓挫或產(chǎn)品指示異常，靜電測(cè)試中可以直接判定為A級(jí)靜電測(cè)試通過(guò)；若MCU控制單元需要較長(zhǎng)些的時(shí)間把故障恢復(fù)（1到10秒間），則可以判定為B級(jí)靜電測(cè)試通過(guò)，也是滿足靜電防護(hù)要求的。（關(guān)于A級(jí)B級(jí)測(cè)試通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)第四段落已有提及說(shuō)明）

五、結(jié)語(yǔ)

音視頻產(chǎn)品本身容易接觸到靜電，對(duì)于產(chǎn)品的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)涉及面比較廣，而且音視頻產(chǎn)品的電子系統(tǒng)又具有復(fù)雜性與多樣性的特點(diǎn)，因此，在對(duì)音視頻產(chǎn)品進(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要在設(shè)計(jì)初期就將靜電防護(hù)作為重要部分，對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)方面（如外觀、結(jié)構(gòu)、電路、軟件功能等）進(jìn)行具體的、有針對(duì)性的ESD設(shè)計(jì)，多方位保證產(chǎn)品不受靜電干擾而影響本身性能。

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