浅析静电放电抗扰度对手机的影响

中心议题：
    *  介绍手机静电放电测试的要求和方法
    *  总结分析手机静电放电抗扰度试验的主要失效现象和模式
解决方案：
    *  ESD 失效对策
　　
1 引言
　　
随着社会的发展，无线通信产品已被应用到各种领域中，但其电磁兼容问题也日益突出。手机作为无线通信产品中应用最广泛、最贴近人民生活的数字蜂窝通信产品，在国内是人们主要的通信工具。因此，为保证手机的电磁兼容性能，解决手机的电磁兼容问题，使得手机的电磁兼容测试显得越来越重要。原信息产业部[2000]192 号文件《关于对部分电信设备进行电磁兼容性能检测的通告》就已要求对手机及其辅助设备进行强制性的电磁兼容检验。目前实施的国家强制性产品认证（3C 认证）更是将手机列于认证范围，其中，电磁兼容是手机3C 认证必须通过的项目。因此，电磁兼容性能成为现阶段手机设计必须考虑的内容。
　　
2 手机静电放电抗扰度的方法及要求
　　
虽然在进行不同制式的手机电磁兼容测试时，可以选择不同的行业标准，但依据的基础标准是相同的。对手机进行电磁兼容测试，出现问题的主要项目有：静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、传导骚扰和辐射骚扰。以下主要针对900/1 800 MHz GSM 手机的静电放电抗扰度试验及其问题展开讨论。
　　
电磁兼容测试中静电放电抗扰度（ESD）抗扰性是产品的一个关键指标，也是产品主要不合格项目之一。ESD 抗扰性低时，产品不适用于相对湿度低的环境使用，也不可避免地会影响产品的性能指标，产品更容易损坏，导致用户对产品的认可度下降。因此手机的ESD 抗扰性已成为产品的主要指标之一。
　　
手机ESD 测试实验布置如图1 所示。

　　
2.1 手机工作状态
　　
手机在电磁兼容测试过程中，有两种典型的工作状态，即专用模式（通话状态） 和空闲模式（待机状态）。
　　
a） 专用模式
　　
被测手机与基站模拟器通过空间链路建立并保持通信连接，通过把ARFCN 设置为一个适当的值来选定射频输入信号频率。例如：对于GSM 900MHz，可选择60~65 之间的值。基站模拟器命令被测手机工作在最大的输出功率电平下。手机分别工作在充电状态和电池供电状态并进行ESD 抗扰度试验。
　　
当要求被测手机处于专用模式时，应满足下列条件：
　　
1） 被测手机工作在最大的发射功率情况下；
　　
2） 监视下行链路的RXQUL；
　　
3） 在测试之前，下行链路和上行链路的语音输出信号的参考电平都应记录在测试仪器中（把被测手机的音量设成额定音量或中等音量）；
　　
4） 被测手机下行链路的语音信道输出信号在ERP 处的电平应通过测量SPL 来评估；
　　
5） 在基站模拟器的模拟输出口测量手机上行语音信道输出的译码后的信号电平（使被测手机的麦克风拾取的外来背景噪声达到最小）。
　

　
b） 空闲模式被测手机与基站模拟器通过空间链路连接，BCCH 信道激活，被测手机与基站模拟器保持同步，处于待机状态，手机分别工作在充电状态和电池供电状态进行ESD 抗扰度测试。
　　
ESD 抗扰度测试是模拟手机在遭受到ESD 时其性能是否会下降或失效，放电分为直接放电和间接放电两类。对导电表面采用直接接触放电的方式，对绝缘表面采用空气放电方式。接触放电为首选形式，只有在不能用接触放电的地方（如表面涂有绝缘层，手机非金属键盘缝隙等情况）才改用空气放电。

2.2 测试过程中的性能监测
　　
专用模式：被测手机与基站模拟器建立并保持通信连接，在加扰过程中，观察被测手机是否维持通信连接。整个加扰过程结束后，观察被测手机是否仍能保持通信连接，是否能正常工作，有无用户可察觉的通信质量的降低，有无用户控制功能的丧失或存储数据的丢失。
　　
空闲模式：观察手机是否误操作，试验结束后，观察被测手机是否能正常工作，有无用户可察觉的通信质量的降低，有无用户控制功能的丧失或存储数据的丢失。
　　
具体试验点和试验条件见表1。

表1 手机ESD 试验点和试验条件

　　
2.3 ESD 测试导致手机失效的现象
　　
ESD 测试产生失效的现象有两种：一种是永久性失效，即导致手机损坏；另一种是软失效，即测试结束后或重新启动手机后失效的功能可以恢复。
　　
ESD 测试过程中手机软失效的现象有：
　　
1） 手机自动关机，重启后能恢复工作；
　　
2） 手机通话中断；
　　
3） 手机自动重启；
　　
4） 手机死机，重启后可恢复工作；
　　
5） 屏幕显示异常，如屏幕显示白屏、黑屏、屏幕显示模糊、屏幕出现乱码、或屏幕出现条纹等；
　　
6） 触摸屏功能或按键功能丧失；
　　
7） 软件出现错误提示，如在充电器没有插拔的情况下屏幕频繁提示，“充电器已移除，充电器已连接”；
　　
8） 测试过程中通话质量降低，声音消失或断续或出现啸叫声等。
　　
ESD 导致手机损坏的现象有：
　　
1） 自动关机后不能再次开机；
　　
2） 由于部分器件损坏，手机的某些功能已无法恢复；
　　
3） 处于充电状态测试时，充电器发生损坏甚至爆炸等现象。
　

　
笔者试验了213 批次手机，其中ESD 试验不合格的有41 批次，不合格比例为19.2 %。试验结果表明，ESD 抗扰性是电磁兼容测试主要不合格项目之一。试验中失效最多的工作状态为充电、专用模式，放电模式为空气放电；失效点多集中在按键、接缝和LCD 显示屏；出现失效现象频率由高到低依次为：通话中断；通话中断，手机转充电状态；手机自动重启；死机，重启后可恢复工作；试验过程中充电器坏或爆炸；死机，试验后不能恢复工作；实验中白屏、死机、试验后不能恢复工作等。
　　
3 ESD 失效对策
　　
手机ESD 试验不合格，大部分是可恢复的暂时性功能失效，这些失效与手机抗静电设计密切相关，为了提高手机的抗静电能力，可以从以下几个方面进行改进：
　　
1） 从结构接地保护方面考虑，最好能实现多点接地，间隙要小。接地点应尽可能地多，缩短接地线长度，结构应尽可能地密封；
　　
2） 敏感元件远离缝隙或固定开孔；
　　
3） 选用抗静电等级较高的器件；
　　
4） 加大塑胶垫的面积，加长静电干扰路径，削减ESD 对线路的影响；
　　
5） 保持地电流远离敏感电路及有关线路；
　　
6） 对于敏感器件，通过使用保护器件（如TVS、ESD 防护器件） 来加强保护；
　　
7） 保持敏感器件与静电源隔离；
　　
8） 减少回路面积，电源与地尽可能地近，走线尽可能地短，信号线尽可能地靠近地线。
　　
4 结束语
　　
ESD 是造成手机工作失常或功能失效的一个重要原因，ESD 抗扰性直接影响到手机对环境的适应性、手机的性能以及品牌形象等。生产商通过重视和加强手机的ESD 抗扰性，可提高产品的竞争能力，提升品牌形象，从而创造更高的效益。
　　
本文介绍了手机电磁兼容测试标准及手机ESD 测试要求、方法和手机ESD 抗扰度试验的主要失效现象、模式的分析，明确了电磁兼容测试中ESD 抗扰性是影响手机合格的一个关键指标。希望本文能对关心手机的ESD 抗扰性的生产厂家和设计人员有所帮助，同时也引起那些对ESD 抗扰性不太了解的生产厂家和设计人员的重视。