摘要：本文介绍了在移动通信终端中ESD问题现状与类别，提出了ESD 控制的思路，给出了设计中的原则或方法，产品中解决问题的步骤与注意事项以及应用实例。

Absrtact:The paper introduce ESD in mobile phones,and bing forward the thoughts to control it,then provide the rules or methods for design ,at last give the steps and attention items and samples to solve ESD problem in product .

关键词：静电放电 电磁兼容 印制电路板 Key word: ESD EMC PCB

前言

自从一百多年前麦克斯韦建立电磁理论、赫兹发现电磁波，电磁波得到了越来越多的利用。然而，伴随电磁波的利用，也带来了电磁干扰的产生。各种无用的电磁波，通过辐射和传导的途径，以场和电流(电压)的形式，进入原本正常工作的敏感电子设备，使其无法正常工作。因此，如同生态环境污染一样，随着现代科技不断的发展，电磁环境的污染也越来越严重，它不仅会损害各种电子产品的安全性与可靠性，还会对人类健康和各种生物产生不良影响。然而，一旦电磁干扰源停止工作，干扰也即消失。电磁环境的不断恶化和电磁污染的日益严重，引起了世界范围的重视，尤其是二十世纪70年代后，科技工作者经过大量的理论研究及实验工作，提出了解决方案使电子设备或系统在其所处的复杂电磁环境中，能够正常的工作，而对在该环境中工作的其它设备或系统也不引入超出承受范围的电磁干扰的新课题，这就是所谓的电磁兼容。静电放电作为电磁兼容(EMC)研究的一个重要内容，也是我们在移动通信终端产品中一个无法回避的课题。

在进行移动通信终端EMC设计时，一定不能忽略对静电放电(ESD)的防护。因为移动通信终端的使用者---人体本身就是最主要的静电放电源头，任何带电物体都很容易将自己所携带的电荷转移到导电的人体皮肤上去，所以移动通信终端在整个生命周期内都处在一个充满静电的环境之中。如果抗静电释放(ESD)设计不好，则可能导致移动通信终端在使用过程中发生锁死、复位、数据丢失和不可靠等现象。静电放电也被认为是一般边缘变化率小于十亿分之-秒一次的宽带高频问题[1]，转换成频谱带宽可达到1GHz。在低于十亿分之一秒的范围内观察到静电放电现象也并不罕见，这个更快的边缘速率也就成为吉赫兹频谱带宽的问题。

⒈移动通信终端的ESD问题现状与类别

2005年4月12日上午，移动通信终端研发和测试中国论坛在北京召开，该论坛以加速终端测试研发，助力移动通信产业为主题，围绕产业政策、研发测试成果等内容，同期举办全球移动通信终端研发成果和测试方案展。在此论坛中，中国电信研究院泰尔实验室主任何桂立在会上对移动通信终端的质量状况作出分析，指出中国的移动通信终端产品也还存在着许多问题，其中最突出的问题之一就是电磁兼容。目前出现的主要问题还是在抗静电能力上，一个是装配，一个是结构的问题，还有一些元器件抗静电的能力比较差。其中，装配问题是由于壳体抗静电性能不好，导致静电会通过它引入到非常关键的器件上，造成有静电的时候移动通信终端受到损害；结构问题是由于金属结构件容易产生静电释放问题，造成有静电的时候移动通信终端受到损害。

在实际产品中，具体电路中的ESD效应可以分为三类[2]：硬错误，软错误和短暂状态异常。

硬错误是指已经造成硬件的实际损坏。ESD破坏大多数明显的影响是器件失效，从手指或其它导体上突然的静电释放能够破坏静电敏感器件或者微电路。处于静电释放危险中的电子器件可能完全不受影响，或产生了损伤但并不能立即被察觉，但是由于中间阶层品质降低，其预期寿命可能降低，这就是一个潜在的产品操作故障。ESD效应导致器件品质降低，在持续使用时引起失效。ESD的破坏可以是累积性的，导致受损器件功能时好时坏，而且这类故障具有一定的隐蔽性。

软错误是ESD另一个重要的影响，是对于产品的正产运行产生干扰，但是不会对产品产生硬件的实际损害。由ESD效应传递和发射的能量能够被操作系统误认为有效数据，导致在数据传输过程中引起暂时错误，在更严重情况下，产品可能产生严重的故障，如电话断线或完全被切断，需要手动重新开启。

短暂状态异常是指ESD效应没有使产品本身产生任何错误，但是却可以明显感觉到一些不正常现象，比如液晶显示器的瞬间闪烁等等。

设计出来的GSM移动通信终端产品应该能够承受一定程度的静电放电而不受损害（硬错误），也不产生软错误。一般情况下，可以接受短暂状态异常。根据实际工作经验，在GSM移动通信终端中液晶显示器、摄像头、听筒、受话器、SIM卡座等器件经常受到ESD干扰。

ESD是电磁兼容管理中的一个特殊的整体性问题，它与普通的电磁兼容管理之间最大的区别是ESD问题中发生的电流更大，电压更高，但是两者都可以使用同样的技术来进行控制。大家知道，大禹治水的成功秘诀在于疏导为主，疏堵结合，疏中用堵，堵为疏用。正因为静电在生活中无处不在，因此在解决静电问题时也应效仿大禹治水的做法，做到屏蔽和释放两种措施并举。对易受ESD危害的重点部位，应在其外围进行屏蔽和隔离，而且要保证隔离的彻底性，否则火花放电可能越过在隔离边界不连续处的空隙而影响内部敏感器件或电路，比如移动终端的键盘按键之间的空隙。对容易积累和储存静电的器件进行可靠接地，防止静电核的产生和积累，在产品中设计静电放电电流的泄放路径，使静电得以及时释放。接地方式可以分为硬接地（接地阻抗接近零）和软接地（接地阻抗大，典型的防静电手环接地电阻为1MΩ，可以限制电流大小）。

⒉ESD控制的思路

首先，要认识到所有的电子组件和装配件都有可能遇到ESD问题，在思想上引起足够的重视。

其次，保护微电子电路组件免受静电影响的主要手段是在设计时对其建立保护回路。设计保护回路要在干扰源、耦合通道和接收器三个要素之间综合考虑器件的主要功能（比如射频电路）、器件制造水平的制约(比如屏蔽材料特性)和器件的位置(比如远离静电源)。而且保护电路对于ESD效应的反应速度必须比被保护的器件迅速。虽然典型的器件保护可以通过设计回路获得，然而，没有器件能够完全解决ESD破坏问题，因此，还需要附加的保护措施。

电子技术的发展趋势是电子产品速度将越来越高，在一些情况下速度和其它的功能标准可能制约保护措施的使用。使用这些受限制的保护措施，需要设计时尽早协调，以便在电路封装和产品上建立保护，同时也需要预先安排特别的处理技术。由于标准的控制程序不够充分以及一些自动安装技术还难以实现，这样的要求对于静电敏感器件极为关键。电路封装保护技术包括采用适当的遮蔽保护膜、特殊连接设计、保护环和组件放置。完整的产品设计也必须考虑ESD引起的临时性干扰，解决措施可以采用屏蔽，并且电路板的设计布置需要考虑到典型的噪声抑制技术

最后，在没有可靠接地情况下避免触摸敏感组件和装配件，比如金属氧化物场效应管其栅极很容易感应电荷而将管子击穿；所以应该保证生产、运输、储藏静电敏感组件和产品时有一个静电安全环境，比如生产车间中的相关人员佩戴防静电手环或脚环。

⒊PCB防静电设计[3]

3.1 PCB设计原则

(1) 环路面积尽可能小，这些环路包括电源与地，信号与地形成的所有环路。因为电流通过感应进入到电路环路，这些环路是封闭的，并具有变化的磁通量。电流的幅度与环的面积成正比。较大的环路包含有较多的磁通量，因而在电路中感应出较强的电流。因此，必须减少环路面积。在GSM移动通信终端一般采用具有电源及接地层的多层PCB设计。多层电路板不仅将电源和接地间的回路面积减到最小，而且也减小了ESD脉冲产生的高频EMI电磁场；

(2) 采用高整合度组件，二极管数组不但可以大幅节约线路板上的空间，而且减少了由于回路复杂可能诱发的寄生性线路自感的影响, 所有的组件越近越好，同一特性器件越近越好；

(3)PCB接地面积越大越好，PCB的接地线需要低阻抗且要有良好的隔离；

(4) 在电源和地之间放置高频旁路电容，电源与地越接近越好，电源、地布局在板中间比在四周好；

(5) 避免被保护回路和未实施保护的回路并联；将接口信号线路和接地线路直接接到保护组件上，然后再进入回路的其它部份；

(6) 尽量避免在保护线路附近走比较关键的信号线，走线越短越好；将复位、中断、控制信号远离输入/输出口，远离PCB的边缘；信号线越接近地线越好；太长的信号线或电源线必须与地线交错布置；

(7) 将器件与静电源隔离；

(8)尽量将接口安排在同一个边上；

(9)PCB上的外露铜箔接触ESD的机会较大，因此金属本身及延伸至PCB内部线路周围必须隔离2mm以上间隙；

(10) 设计尖端放电端，可以吸收静电(接地铜箔越宽越好，并直接回到主地) ；

(11) 多层板的内层也需要隔离；

(12) 为了整面的防护，可以加上金属接地面。

3.2 减小电磁场（Electromagnetic Field-EMF）耦合的方法

(1) 在静电干扰源使用滤波器衰减信号；

(2) 在静电接收器使用滤波器衰减信号；

(3) 增加干扰源和接收器之间的距离以减少耦合；

(4) 降低干扰源和接收器的天线效应，可以设计90度极性差异；

(5) 在耦合通道与接收器之间使用隔离方式；

(6) 增加耦合通道与接收器天线的阻抗以降低磁场耦合；

(7) 使用均匀、低阻抗参考板使信号一直保持在共模状态。

3.3 结构件设计原则

(1) 外壳的金属部份需要通过金属螺钉等器件连接到PCB的主地，同时必须保证金属螺钉或导电泡绵等与PCB主地良好稳定的连接；

(2) 保证外壳与电子器件或电路走线距离2.2mm以上，特别是听筒等在外壳上有开孔的位置；

(3) 尽量保证PCB设计有足够空间，若外壳金属部份无法接地时，其距离电子器件或电路走线2cm以上；

(4) 所有相连接的金属材料其电压差要小于0.75V；

(5)所有孔洞或缝隙不能大于2cm，由于听筒的孔洞通常较大，所以一般将听筒的本体设计成塑料的，而不是金属的，虽然这样也许会使听筒本体的厚度增加一点；

(6) 使用多个小孔取代一个大孔；

(7)使用金属扁带时，必须与PCB主地实现可靠电接触。

⒋软件设计中的ESD保护方法

在减小ESD的影响方面，软件设计的合理性也很重要。设计软件的时候，需要保证在程序受到瞬态干扰而发生异常的情况下，程序的运行不会"锁死"，而能够适当的恢复运行。关于抗干扰的软件设计，包括两个基本步骤。首先，软件必须能够检测到已经出现的故障；其次，系统必须能够适度恢复到确定的，稳定的状态。为了达到这个目的，软件必须有规律的检测异常情况的出现；然后在故障或错误导致任何损害之前，以尽可能快的速度检测到它们。软件的错误检测技术可以分为三类：程序流程错误检测，输入/输出错误检测和数据存储错误检测。

4.1程序流程错误检测

容错软件编程最重要的问题是保证程序本身的健全和完整。程序流程错误产生的原因很多，可能是微处理器内部寄存器中的内容改变所引起的（比如程序计数器），也可能是程序指令存储位的变化，因此程序可能因为"锁死"而进入无限循环状态，不能跳出；程序可能不断的在不存在的存储区中进行寻址指令，也可能将数据当作指令来执行。

在下列两个条件之一或都成立的情况下，对程序进行有规律的检查，这就是程序流程错误检测。这两个条件是：程序运行的时间是否过长，和程序是否在存储器的有效范围内运行。对这两个条件进行检查也不难，可能只要在程序中添加几行代码。其中一些软件检测的技术包括硬件定时器，软件校验点，错误陷阱，空操作代码，和未使用中断陷阱等等。

防止软件出现无限循环最有效的保护方法是使用硬件定时器。将硬件技术器连接到系统时钟，计数器可以预先设置一个特定数值。当技术累加到这个特定数值时，计数器复位系统微处理器。也可以将软件设计成能够周期性的向定时器发送复位脉冲，以免计数器到达预先设置的特定数字，除非软件进入无限循环而锁死。通常，复位脉冲代码可以添加到一个现有的被主程序频繁调用的子程序中，只要多加几条指令就可以了。

另外一种方法是设置软件校检点，其效果稍差一些。这种方法通过一个独立的程序来周期性的中断正在运行的程序，并检查某些程序运行已经到过的校检点。如果校检点是错误的，则将程序控制权转交给错误处理程序。

如果程序限于存储器的某一个范围，比如ROM中的程序，就可以将陷阱写入软件，防止程序试图访问有效存储器范围之外的指令。没有使用的程序存储器区域应当填满"空操作"（或其它类似的操作）指令，并在结束时跳转到错误处理程序。这样的话，如果意外跳转到没有使用的或不存在的存储区，错误处理程序就被调用。

没有使用的存储器中的中断指令通常会造成程序流程错误。如果有一个瞬态噪声出现在一个没有使用的中断指令上，程序将强行跳转到中断向量位置。如果这个位置在程序的中间，就会产生不可预料的后果。解决这种问题的方法是在所有没有使用的中断向量位置设置一个跳转，从而到达错误处理程序。

如果检测到程序流程错误，就很有必要使系统返回到一个确定的，稳定的状态，尽可能减小损害。将程序控制权转交给错误处理程序就可以达到这个目的，而最简单的程序就是系统复位，在GSM移动通信终端的软件设计中这是一个经常使用的方法。

4.2 输入/输出错误检测

输入/输出的瞬态错误能使系统产生错误的信息，而这些信息可能被发送也可能被接受。使用输出回送（读回）并将数据与被发送的数据比较，可以检测到输出错误。

使用软件滤波技术处理输入数据并检查数据的合理性就能够控制输入错误。一个简单可靠的软件滤波技术是连续多次读取输入数据。两次读取数据之间有延迟，这样就可以将有效输入数据与噪声脉冲区分开来。如果是ESD保护，连续两次读取数据之间有数百纳秒的延迟就可以了。下图中显示的是一个软件滤波子程序流程框图。在接受输入数据之前，这个子程序连续N次输入数据，直到这些数据全部匹配（在实际设计中，这个N一般不超过5，可以满足要求）,这个子程序也能够输出一个完整的脉冲。对于输入数据来说，软件滤波子程序就相当于一个低通滤波器，可以去除瞬态噪声的影响。

在接收数据之前，通过检查数据类型与数据范围是否合理，还可以对输入数据提供保护。这样经常可以检测到输入错误，并在数据进入系统或通过系统传输之前加以识别。

4.3 数据存储错误检测

检测瞬态噪声引起的数据存储错误很可能不会马上有明显的效果，但是如果不检测数据存储错误，这些错误可能以后对系统产生影响。为了检测这种类型的错误，必须在使用之前对取自存储器的所有数据进行验证。现在有很多技术可以用来检查数据的有效性，比如奇偶校验，循环冗余校验，以及错误检测代码等等。但是它们只能检验错误是否存在，而不能对错误进行纠正。系统可以使用这些信息来标记数据，并审查数据的有效性。如果采用纠错码就可以检验和纠正某些错误。所以设计时，必须确定系统所需要的数据存储保护要求。

⒌ESD问题的解决方法

5.1 测试、分析与解决步骤

由于ESD问题的复杂性，即使经验非常丰富的工程师也难以做到万无一失，对进入生产环节才发现ESD问题的产品能够准确及时找到行之有效的解决方法是十分重要的。

工程师经常遇到的问题是产品样机的ESD测试不能通过，可以根据下面的步骤来发现并分析产生的问题及原因。

(1) 让ESD放电枪(ESD Gun)从不同方向靠近放电点，观察放电现象有何不同，注意防电火花的放电强度和放电方向，分析静电是如何进入机身的。

(2) 从低到高逐渐增加ESD放电枪的放电电压，观察GSM移动通信终端是在哪个电压区间发生失效，比如，在做空气间隙放电测试时，从2kv，4kv，6kv，直到通过8kv，如果需要则再向上打10kv、12kv、15kv。

(3) 可以对GSM移动通信终端正面，反面或侧面拍照，标注放电点，必要时标出放电火花方向，并详细记录每一放电点的实验现象。比如某点在某一正电压值或伏电压值的放电次数、故障次数及每次故障现象，是不可恢复性损坏、自动关机、复位还是LCD显示不正常，都详细记录以便分析。

(4) 需要注意的是：一台样机的实验现象总是带有随机性，需要对几台样机进行同样的测试，并使故障可以复现，以便准确分析故障原因。一般一次试验需要至少测试5台样机，最好能有10台。

(5) 根据实验现象进行分析，判断故障原因。由于ESD 的故障原因是多种多样的，所以由一个现象可能分析出几种不同的原因，其中的某一个或几个引起GSM移动通信终端ESD故障。这需要工程师进行更深一步的分析，针对每一种可能进行具体实验，最终找出故障的真正原因。

5.2 注意事项

特别需要注意的是，在做静电测试时一定要保证测试环境的空气湿度。因为空气相对湿度过高（超过60%），则测试效果绝对值（比如通过8kv）不能作为正式结果。所以建议静电实验室安装湿度计，最好能配备除湿机。

如果不是万不得已，还是要尽量找到较好的解决措施，使产品不至于重新设计。分析故障原因之后，必须认真寻找最恰当的措施。

必须做大量的试验来寻找解决方案，这是一个反复而枯燥的过程，针对不同的原因采用不同的方法，比如加导电泡绵等导电材料释放静电，或者防静电器件等方法，将静电合理隔离、疏导。

找到解决方案后，必须对此方案进行进一步的分析，尽量做到低成本并且适合于量产，避免采用昂贵的元器件造成产品成本的大幅度上升；避免在制造过程中采用复杂的手工操作，因为复杂的手工操作往往是不可靠的，降低了产品在生产过程中的直通率。

⒍实际应用

在某一产品的试生产和新品确认过程中，在静电实验时发现多个地方出现故障，经过分析，确认静电对液晶显示器，二合一受话器，麦克风，按键，SIM 卡座等器件有影响，采用隔离或疏导的方法解决。第一，液晶显示器在静电实验中无显示或显示混乱，经过反复测试分析后发现，虽然有金属框架保护，但是金属框架与主板的接地端接触不可靠，造成金属框架在静电实验中不能起到保护作用，损坏了液晶显示器的内部电路，经过改进金属框架的材料和接地段的形状，使得接地更加可靠，从而保证通过静电实验。第二，二合一受话器在静电实验中产生死机，认真分析后发现受话器使用了金属外壳，静电导入信号电路损毁器件，导致不能通过静电实验。当时设计了两种解决方案，一个是在金属外壳上增加一根导线到地，一个是将金属外壳改为塑料外壳，经过供应商试验，确认了塑料外壳的方案可以彻底解决问题，并且适合于大规模生产。第三，麦克风在静电实验中造成死机，经过仔细测试研究后发现，是由于麦克风与外壳接近，静电通过侧缝导入信号电路损毁器件，在电路上增加防静电器件解决问题。第四，按键在静电实验中产生死机，经过大量试验，确认是因为静电通过按键缝隙导入信号电路损毁器件，于是在薄膜按键上加上导电介质，并在主板上增加与导电介质的接地端，解决问题。

该产品属于低成本机型，目前，在国内市场已经销售数百万台，在国际市场销售超过百万台。由于静电问题的解决，大幅度降低了市场的退换机率和维修机率，使该产品的质量达到了世界先进水平。

参考文献：

[1] Mark Montrose.电磁兼容和印刷电路板理论、设计和布线[M].刘源安等译.北京：人民邮电出版社，2002.4-5

[2] Henrry W.Ott.电子系统中噪声的抑制与衰减技术[M].王培清等译．北京：电子工业出版社，2004．233-251

[3] 手机ESD控制技术、纠错方法及补救措施[J/OL].http://www.1mp.cn/news_show.asp?ID=1798.2005-02-28