簡介：所有數碼產品的靜電防護都基本相似，手機這個產品非常具有代表性，這里重點介紹一下手機的結構設計、PCB 設計、電路設計中的應注意的問題，提出了手機設計中靜電防護和改進的措施。并就ESD 的形成機理、對電子產品的危害，重點就手機設計中的ESD 問題及防護和設備改善做了重點研究。

　　靜電是人們非常熟悉的一種自然現象。靜電的許多功能已經應用到軍工或民用產品中，如靜電除塵、靜電噴涂、靜電分離、靜電復印等。然而，靜電放電ESD（Electro-Static Discharge）卻又成為電子產品和設備的一種危害，造成電子產品和設備的功能紊亂甚至部件損壞。現代半導體器件的規模越來越大，工作電壓越來越低，導致了半導體器件對外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。ESD 對于電路引起的干擾、對元器件、CMOS 電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。電子設備的ESD 也開始作為電磁兼容性測試的一項重要內容寫入國家標準和國際標準。

　　1、靜電成因及其危害

　　靜電是兩種介電系數不同的物質磨擦時，正負極性的電荷分別積累在兩個特體上而形成。當兩個物體接觸時，其中一個趨從于另一個吸引電子，因而二者會形成不同的充電電位。就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦發生的靜電是人體帶電的主要原因之一。

　　靜電源與其它物體接觸時，依據電荷中和的物理存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。在高速電量的傳送過程中，將產生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，嚴重時將其中物體擊毀，這就是靜電放電。國家標準中定義：靜電放電是具有不同靜電電位的特體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移（GB/T4365-1995），一般用ESD 表示。ESD 會導致電子設備嚴重損壞或操作失常。

　　靜電對器件造成的損壞有顯性和隱性兩種。隱性損壞在當時看不出來，但器件變得更脆弱，在過壓、高溫等條件下極易損壞。

　　ESD 兩種主要的破壞機制是：由ESD 電流產生熱量導致設備的熱失效；由ESD 感應出過高電壓導致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個設備中同時發生，例如，絕緣擊穿可能激發大的電流，這又進一步導致熱失效。

　　除容易造成電路損害外，靜電放電也極易對電子電路造成干擾。靜電放電對電子電路的干擾有二種方式。一種是傳導干擾，另一種是輻射干擾。

　　2、手機電路簡介及其ESD 問題

　　數字移動電話的電路由射頻與基帶兩大部分組成。其中射頻（RF）電路包括收發器、頻率合成器和功放等，基帶（Baseband）電路包括數字信息處理和控制器、存儲器、電源管理和其他外設部分。

　　手機的功能越來越強大，而電路板卻越來越小，集 ESD 可能會造成手機工作異常、死機，甚至損壞并引發其他的安全問題。所以在手機上市之前，我國都強行要求進行入網測試，而入網測試中明確要求進行ESD 和其它浪涌沖擊的測試。其中接觸放電需要做到±8kV 靜電正常，空氣放電需要做到±15kV 靜電正常，這就對ESD 的設計提出了較高的要求。成度越來越高。手機有幾個部分用于人機交互，這樣就存在著人體靜電放電的ESD 問題。手機電路中需要進行ESD防護的部位有：SIM 卡插座與CPU 讀卡電路、鍵盤電路、耳機、麥克風電路、電源接口、數據接口、USB 接口、彩屏LCD 驅動接口。

　　3、手機中ESD 問題解決與防護

　　3.1 殼體的設計

　　如果將釋放的靜電看成是洪水的話，那么主要的解決方法與治水類似，就是“堵”和“疏”。如果有一個理想的殼體是密不透風的，靜電也就無從而入，當然不會有靜電問題了。但實際的殼體在合蓋處常有縫隙，而且許多還有金屬的裝飾片，所以一定要加以注意。

　　其一，用“堵”的方法。盡量增加殼體的厚離，即增加外殼到電路板之間的距離，或者通過一些等效方法增加殼體氣隙的距離，這樣可以避免或者大大減少ESD 的能量強度。

　　通過結構的改進，可以增大外殼到內部電路之間氣隙的距離從而使 ESD 的能量大大減弱。根據試驗，8kV 的ESD 在通過過4mm 的距離后能量一般衰減為零。

　　其二，用“疏”的方法，可以用 EMI 油漆噴涂在殼體的內側。EMI 油漆是導電的，可以看成是一個金屬的屏蔽層，這樣可以將靜電導在殼體上；再將殼體與PCB（Printed Circuit Board）的地連接，將靜電從地導走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI 的干擾。如果有足夠的空間，還可以用一個金屬屏蔽罩將其中的電路保護起來，金屬屏蔽罩再連接PCB 的GND。用金屬屏蔽罩將 LCD 模塊保護起來的例子。

　　總之，ESD 設計殼體上需要注意很多地方，首先是盡量不讓ESD 進入殼體內部，最大限度地減弱其進入殼體的能量。對于進入殼體內部的ESD 盡量將其從GND 導走，不要讓其危害電路的其它部分。殼體上的金屬裝飾物使用時一定要小心，因為很可能帶來意想不到的結果，需要特別注意。

　　3.2 手機PCB 設計

　　手機 PCB（Printed Circuit Board）都是高密度板，通常為6 層板。隨著密度的增加，趨勢是使用8 層板，其設計一直都需要考慮性能與面積的平衡。一方面，越大的空間可以有更多的空間擺放元器件，同時，走線的線寬和線距越寬，對于EMI、音頻、ESD 等各方面性能都有好處。另一方面，手機體積設計的小巧又是趨勢與需要。所以，設計時需要找到平衡點。就ESD 問題而言，設計上需要注意的地方很多，尤其是關于GND 布線的設計以及線矩，很有講究。有些手機中ESD 存在很大的問題，一直找不到原因，經過反復研究與實驗，發現是PCB 設計中的出現的問題。為此，這里總結了PCB 設計中應該注意的要點：

　　（1）PCB 板邊（包括通孔Via 邊界）與其它布線之間的距離應大于0.3mm；

　　（2）PCB 的板邊最好全部用GND 走線包圍；

　　（3）GND 與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm；

　　（4）Vbat 與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm;

　　（5）重要的線如Reset、Clock 等與其它布線之間的距離應大于0.3mm;

　　（6）大功率的線如PA 等與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm；

　　（7）不同層的GND 之間應有盡可能多的通孔（VIa）相連；

　　（8）在最后的鋪地時應盡量避免尖角，有尖角應盡量使其平滑。

　　3.3 手機電路設計

　　在殼體和 PCB 的設計中，對ESD 問題加以注意之后，ESD 還會不可避免地進入到手機電路中，尤其是以下幾個部件：SIM 卡的CPU 讀卡電路、鍵盤電路、耳機、麥克風電路、數據接口、電源接口、USB 接口、彩屏LCD 驅動接口，這些部位很可能將人體的靜電引入手機中。所以，需要在這些部分中使用ESD 防護器件。ESD 防護器件主要有以下幾種：

　　（1）氣體放電管（GDT）。它是具有一定氣密的玻璃或陶瓷外殼，中間充滿穩定的氣體，如氖或氬，并保持一定壓力。GDT 通流量大、極間電容小，可自行恢復，其缺點是響應速度太慢，放電電壓不夠精確，壽命短，電性能會隨時間變化。

　　（2）壓敏電阻（MOV）。它是陶瓷元件，將氧化鋅和添加劑在一定條件下“燒結”，電阻受電壓的強烈影響，其電流隨著電壓的升高而急劇上升。壓敏電阻內部發熱量很大，其缺點是響應速度慢，性能會因多次使用而變差，極間電容大。

　　（3）閘流二極管（TSS）。它是半導體元件，閘流二極管開始時不會導通，處于“阻斷”狀態。當“過電壓”上升到閘流管的“放電電壓”時，導通并產生放電電流；當電流下降到最小值時，閘流管會重新“阻斷”，并恢復到原來的“斷路狀態”。

　　（4）瞬態電壓抑制器（TVS）。它是半導體器件，由于其最大特點是快速反應（1ns～5ns）、非常低的極間電容（1pf～3pf），很小的漏電流（1μA）和很大的耐流量，尤其是其結合芯片的方式，非常適合各種接口的防護。

　　（5）靜電阻抗器（ESD）。它也是陶瓷器件，它也是壓敏器件的一種，由于有一些特殊的材料使它又有了TVS 的一些特性，反應時間變得更快（最小可以《0.5ns）、電容值也更小（最小可以《0.05pf）、漏電流最小可達0.1μA，正是器件里面材質的不純性令靜電通過器件時以大量發熱的形式消耗了靜電。

　　因為 ESD 器件以及TVS 具有體積小、反應速度快等優點，現在的設計中使用作為防護器件的比例越來越多。在使用時應注意放在需要保護的器件旁邊，到地的連線盡可能短，器件的布線應成并聯型，而不能布成串聯型。

　　ESD 的問題是眾多重要問題之一。在不同的電子設備中有不同的方式來避免對電路的危害。由于手機體積小、密度大，在 ESD 的防護上有獨到的特點。手機的靜電測試實驗證明，采用本文的設計方法處理，將一個原本在± 2kV 放電就會死機的手機加以保護和改進，在± 8kV 的靜電放電情況下依然保持通話正常且工作穩定，起到了很好的靜電防護效果。隨著電子設備使用的日益廣泛，ESD 設計是每一個結構設計工程師和電子設計工程師需要重點關心的問題，通過不斷總結與學習， ESD 問題將不再是一個難題。