專業戶外手機靜電抗擾度對策研究

易華斌

（1.國家數字電子產品質量監督檢驗中心，廣東 深圳 518055；2.深圳市計量質量檢測研究院，廣東 深圳 518055）

專業戶外手機產品越來越受到戶外活動者的青睞，然而受到外界氣候變化的影響，用戶常常遇到系統重啟甚至產品損壞的意外故障，這其實在很大程度上是由人體自帶的靜電干擾造成的。

靜電放電抗擾度是指產品能否抵抗在相對低的濕度環境下所產生的靜電放電現象的能力，產品在靜電放電后，能否繼續正常工作，是否出現性能降低、損壞或導致安全事故發生。靜電放電的電壓較高，可以達到10kV及以上，雖然持續時間短，但對半導體器件造成的損壞大，使產品出現暫時性的性能降低或永久性的功能失效問題[1]。

在實驗室進行靜電放電抗擾度測試時，通過靜電槍對產品外表面的金屬和非金屬部件進行放電模擬。由于靜電電荷既有正極性又有負極性，故在用靜電槍測試時，也需要測試正負兩種電壓極性。就專業戶外手機來說，其產品的敏感部位一般為外殼的金屬部分/非金屬部分、顯示屏、按鍵區、耳機接口或USB接口等位置。在對一款專業戶外手機產品進行靜電放電試驗時，發現其外殼縫隙以及金屬外殼部分為靜電敏感區，在試驗過程中，會出現死機或通信中斷現象[2]。

1 手機的靜電放電抗擾度測試要求

按照手機產品標準要求，以5G手機為例，對應的產品標準為YD/T 2583.18—2019《蜂窩式移動通信設備電磁兼容性要求和測量方法 第18部分：5G用戶設備和輔助設備》。如果5G手機支持不同的制式，也即除了5G，還兼容2G的GSM制式、3G的WCDMA制式、4G的LTE制式等，在測試時也應遵循不同的標準要求[3]。

靜電放電抗擾度測試項目的試驗等級詳見表1。

表1 靜電放電抗擾度的試驗等級

專業戶外手機在進行靜電放電測試時的工作模式包括專用模式（通話狀態）和空閑模式（待機狀態）。專用模式即為被測手機與模擬基站通過空間鏈路建立連接并保持通信，模擬基站命令手機工作在最大功率發射狀態。空閑模式即為被測手機與模擬基站通過空間鏈路保持同步，被測設備處于待機狀態。如果手機同時帶有充電器，則在專用模式和空閑模式下，手機均要分別工作在與充電器相連進行充電的狀態和靠電池供電的狀態。

靜電放電抗擾度測試項目的判據：試驗前應建立通信連接；在加干擾過程中，無用戶可察覺的通信鏈路丟失；整個加擾過程結束后，被測設備應能正常工作，保持通信連接，無用戶控制功能的喪失或存儲數據的丟失[4]。

2 試驗條件及問題分析

專業戶外手機產品是直流供電，III類設備，接地方式為浮地。試驗在IEC規定的標準金屬板上進行，金屬板有2塊，按放置方向不同，分別稱水平耦合板和垂直耦合板。耦合板材質通常為銅或鋁，最小厚度為0.25 mm。耦合板放置在0.8 m高的木桌上，水平耦合板上放置有絕緣襯墊，在其上再放置專業戶外手機。通過兩端各帶有一個470 kΩ電阻的電纜，耦合板與實驗室的接地參考平面相連。實驗室的接地參考平面應超過水平耦合板的四條邊各邊至少0.5 m，接地參考平面的材質及厚度同耦合板，也可以采用其他金屬材質，但厚度至少0.65 mm。

所用的靜電放電測試設備產生能符合IEC 6100-4-2標準規定的波形。試驗布置由靜電槍、專業戶外手機和炭刷等輔助裝置組成。試驗發生器的儲能電容器與分布電容的典型值為150 pF，放電電阻的典型值為330 Ω。靜電放電發生器的放電回路電纜應與接地參考平面連接[5]。

由于靜電放電抗擾度試驗對試驗環境敏感，否則試驗重復性差，故所有測量均要符合IEC 61000-4-2規定的氣候條件。其中環境溫度范圍為（15～35）℃，大氣壓力范圍為（86～106）kPa。由于幅值較寬，比較容易滿足要求。相對濕度對靜電放電影響最大，其范圍為（30～60）%，需要在專門的實驗室加以控制以滿足測試要求。

靜電測試系統產生的靜電波形見圖1。

圖1 理想的接觸放電電流波形

在試驗中，采用逐點排查的辦法進行敏感點的尋找。首先將靜電發生器的電壓設置為+4 kV，在對手機縫隙進行空氣放電時（見圖2），專業戶外手機出現死機現象；對金屬外殼進行接觸放電+2 kV時，專業戶外手機一切正常，然后采用電壓階梯法對專業戶外手機進行排查，將電壓升高到+3.5 kV，對樣機再次進行試驗，手機出現死機現象。這里需要注意的是，I類供電設備由于帶有接地裝置，故施加的靜電放電電荷能通過地線正常泄放，而作為III類設備的專業戶外手機無接地裝置，故不能將靜電電荷自由泄放到大地，如果連續施加靜電放電，會導致某一受試部位上的電荷累加到遠超過試驗等級，最終使待測手機的靜電放電抗擾度測試項目非正常失敗。因此在施加下一個靜電脈沖時，必須先消除已施加靜電放電脈沖的某一部位上的電荷。方法是增加兩次靜電放電之間的時間間隔，更為行之有效的方法是通過帶泄放電阻的炭刷來直接清掃某一放電部位上的電荷[6]。

圖2 專業戶外手機靜電敏感點（外殼縫隙）

根據出現的試驗現象，通過分析主要有兩個方面原因：縫隙過大和電路板電磁兼容設計不周，導致其專業戶外手機的靜電抗擾度能力較差。

首先，手機殼體的縫隙過大，這樣在進行空氣放電時，由于電壓等級高，靜電電荷通過空氣氣隙，使靜電槍的半圓頭形電極與手機內部的PCB之間被直接擊穿，而電火花產生的寬頻段高脈沖的干擾直接影響了手機的正常工作。

其次，在電路設計方面，對于主控芯片的供電和復位腳處理、接口部分濾波及屏蔽措施等考慮不周都會導致專業戶外手機的抗靜電能力較弱。

3 抗靜電對策措施

3.1 縫隙的對策

縫隙過大會將人體的靜電直接泄放到內部的PCB，導致其死機。據多年對策經驗，對于縫隙的處理，采用“堵”的方式來提高其靜電防護能力。經過與生產廠家的協商，由生產廠家定做一個可以封住縫隙邊緣的軟的塑料圈（見圖3）。通過這個塑料圈將殼體的縫隙密封，當再次進行靜電放電試驗時，縫隙處的抗靜電能力可以達到+6 kV。

圖3 軟塑料圈

如果產品是塑料外殼，“堵”的其他方法也可以采用增加外殼的厚度與結構設計相結合方式，使靜電不能通過縫隙直接對電路板進行放電。手機外殼還可以采用“疏”的方法來抑制靜電放電。在塑料外殼的內部，噴涂EMI油漆，也即可導電的油漆，或內襯導電膠布，使外殼相當于一個金屬屏蔽罩，再將殼體與主板的地連接，將靜電從地導走。

3.2 電路方面的對策

通過對縫隙進行采取措施，專業戶外手機的抗靜電能力得到了一定程度的提高，但是還不能滿足相關的試驗要求，因此還需要從專業戶外手機的電路方面著手尋找對策。

（1）復位電路的對策。通過對原理圖的分析，該專業戶外手機的復位電路沒有靜電防護措施，可以在復位電路上加一個壓敏電阻。它作為一種伏安特性為非線性、電阻值對電壓敏感的限壓型保護器件，當過電壓加在壓敏電阻的兩極時，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，其特性如圖4所示，從而提高了主控芯片的抗靜電能力。經過上述處理之后，金屬外殼的抗靜電能力可以達到3.7 kV。

圖4 壓敏電阻特性圖

圖5 電源上加TVS管

（2）主控芯片電源電路的對策。經過對原理圖電路的進一步研究，發現在進行原型設計時，對主控芯片的電源部分未進行靜電防護處理。處理對策是，在主控芯片的電源上采用TVS管（見圖5）。TVS即瞬態電壓抑制二極管，類似于壓敏電阻，也是一種過壓保護器件，可以更高效地將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護手機中的功能芯片，免受靜電脈沖的損壞。在手機的接口電路、主控芯片供電或者敏感的信號線上，均可以合理設計瞬態電壓抑制管。經過上述處理之后，專業戶外手機的接觸放電抗靜電能力可以達到3.9 kV；空氣放電的抗靜電能力可以達到7.3 kV。

（3）加屏蔽罩來提高其抗靜電能力。經過和研發工程師磋商，發現主控芯片下面的地平面不是很完整。因此，建議工程師重新布線，在主控芯片的上方預留一個屏蔽罩的位置，同時設計了一個合適的屏蔽罩（見圖6、圖7），再次進行靜電試驗測試，發現其抗靜電能力大大得到提高，上述措施實施后，接觸放電抗靜電能力可以達到4.5 kV；空氣放電的抗靜電能力可以達到8.6 kV。

圖6 重新布線后的PCB

圖7 增加屏蔽罩后的PCB

（4）提高抗靜電能力的其他措施。在條件允許的情況下，布線層高速信號應安排一層完整的地平面相鄰，這樣做的目的是為了產生通量對消作用。另外CPU的閑置I/O口應接地，至少不要懸空，包括其他IC的閑置端也應接地不要懸空，但不能改變系統邏輯。

4 結束語

專業戶外手機采用上述對策后，其抗靜電能力可以滿足相關的試驗要求。企業在設計前期，應綜合考慮其靜電防護措施，提高產品抗靜電能力。■