如何防止電子產(chǎn)品受到靜電襲擊和電磁干擾

相信很多人對(duì)錘子科技羅永浩約架王自如記憶猶新，在王自如對(duì)錘子手機(jī)的評(píng)測(cè)視頻中，王談到錘子的按鍵和排線裸露會(huì)造成銅絲被靜電擊穿，羅永浩則回應(yīng)稱靜電不可能擊穿銅絲，而且現(xiàn)在的錘子手機(jī)已經(jīng)有保護(hù)措施。其實(shí)，如果是在工廠里話，防靜電設(shè)備自己做得沒話說，但對(duì)大多數(shù)自己開店或在維修部維修的朋友來說，防靜電這都是指上談兵的多。

生活中我們也常有一些經(jīng)驗(yàn)，有些電子產(chǎn)品剛買回去時(shí)還好好的，用了一陣子突然莫名奇妙地壞掉了。這些問題多半是靜電將你的電子產(chǎn)品里的功能芯片給擊穿、燒毀了，導(dǎo)致功能芯片失效。因此，如何保護(hù)電子產(chǎn)品免于受靜電摧毀一直是設(shè)計(jì)者的一個(gè)重要課題。而這個(gè)問題最近幾年變得更為嚴(yán)重，因?yàn)檫^去的十幾年內(nèi)，電子產(chǎn)品由0.5微米制程一路微縮做到現(xiàn)今的45奈米制程，把芯片的組件尺寸縮小了一百多倍。而晶體管的閘極厚度也不斷的縮減使得半導(dǎo)體組件對(duì)靜電防護(hù)能力不斷的下降，產(chǎn)品很容易被突如其來的靜電破壞而失效。每次我們有意無意的接觸到電子產(chǎn)品就很容易將我們身上攜帶的靜電放電給這些電子產(chǎn)品造成傷害。很不幸的，靜電是由摩擦所產(chǎn)生出來的自然現(xiàn)象，沒有簡(jiǎn)單的方法可以讓它不產(chǎn)生，因此我們只能針對(duì)電子系統(tǒng)做必要的防護(hù)設(shè)計(jì)。

防護(hù)不全的電子系統(tǒng)在遭受靜電襲擊后常發(fā)生死機(jī)、當(dāng)機(jī)或系統(tǒng)部分功能不正常，有些會(huì)是短暫失效然后恢復(fù)正常，這些都是靜電可能造成的現(xiàn)象，而具有完整防護(hù)的電子系統(tǒng)則可完全不受靜電襲擊的影響。環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)的靜電事件從3KV到35KV都有，因此電子系統(tǒng)的靜電測(cè)試規(guī)格就需依它本身產(chǎn)品的設(shè)計(jì)狀況及使用的環(huán)境來決定，以智能型手機(jī)為例，測(cè)試規(guī)格就應(yīng)該從12KV起跳。因?yàn)槭謾C(jī)的包覆材料本身通常能抵擋12KV以下靜電能量進(jìn)入手機(jī)的電子系統(tǒng)，但環(huán)境中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)超過12KV的靜電事件，因此唯有測(cè)試規(guī)格拉到12KV以上才能確認(rèn)手機(jī)的設(shè)計(jì)在使用環(huán)境中可以安然地被使用，不會(huì)受靜電干擾。靜電防護(hù)可以有很多方法，其中最簡(jiǎn)便也最經(jīng)濟(jì)的就是在必要的地方加入防護(hù)的零件，如TVS芯片。TVS芯片反應(yīng)速度快，箝制電壓低到接近電子系統(tǒng)地正常工作電壓，可以提供很好的保護(hù)。尤其現(xiàn)在手機(jī)或計(jì)算機(jī)的核心芯片工作電壓都在1V-1.8V，只有TVS芯片能夠提供必要的保護(hù)。

以智能型手機(jī)為例，靜電襲擊經(jīng)常發(fā)生在以下的地方：

觸控銀幕：每次手去接觸到觸控銀幕都是一次靜電襲擊?；蛑v電話時(shí)臉頰很容易接觸到觸控銀幕也是一種靜電襲擊。

耳機(jī)端子：耳機(jī)插拔時(shí)就是一次靜電襲擊。

手機(jī)充電端子：每次手機(jī)充電線接入時(shí)都是一次靜電襲擊。

USB端子：USB插拔時(shí)都是一次靜電襲擊。尤其是USB ON THE GO使用時(shí)更有surge襲擊的機(jī)會(huì)。

天線：手機(jī)天線本身就比較容易受到外來電荷的襲擊。

Sim/Flash卡：手機(jī)Sim/Flash卡插拔時(shí)也是一次靜電襲擊的機(jī)會(huì)。

鍵盤：手機(jī)鍵盤也是容易遭受靜電襲擊的地方。

因?yàn)橹悄苄褪謾C(jī)的空間十分狹小，幾乎每一個(gè)模塊塊都會(huì)受到靜電襲擊，如圖一所示。圖中有加入ESD Protector的地方都是易受靜電襲擊的地方。

另外一種會(huì)造成電子產(chǎn)品受傷的是EMI，智能型手機(jī)由于系統(tǒng)復(fù)雜度高，所有硬件又都集中在極小空間中，電磁干擾經(jīng)常造成系統(tǒng)訊號(hào)不良/訊號(hào)譯碼錯(cuò)誤，嚴(yán)重的還會(huì)造成系統(tǒng)當(dāng)機(jī)。由于電子系統(tǒng)內(nèi)部訊號(hào)傳輸?shù)念l率速度越來越高，電磁干擾的問題也越來越嚴(yán)重。解決的方案就是在系統(tǒng)的各種訊號(hào)傳輸線上面針對(duì)訊號(hào)干擾的頻段加入濾波器。傳統(tǒng)上可以使用一階或二階RC/LC濾波器將所需要的訊號(hào)濾出來就可以了。近年來由于電子系統(tǒng)小型化趨勢(shì)，這些常用的濾波器都已經(jīng)制作成集成電路，提供有效的小型化解決方案。

同樣的以智能型手機(jī)為例，手機(jī)上由于天線接收GSM、3G、WLAN及GPS訊號(hào)，這些訊號(hào)會(huì)通過天線模塊傳入核心芯片(CPU)，而核心芯片又轉(zhuǎn)換出影像與聲音訊號(hào)傳到各影音子系統(tǒng)上。這些訊號(hào)都集中在很短的距離內(nèi)完成，不同的訊號(hào)線間通常距離在零點(diǎn)幾公分的距離內(nèi)，很容易使得這些頻率(或其諧波)互相干擾。這些干擾現(xiàn)象可以用濾波器將會(huì)干擾的訊號(hào)去除，以得到清晰的訊號(hào)。例如送到銀幕的訊號(hào)常會(huì)干擾天線收到的GSM訊號(hào)，造成天線的接收敏感度下降，典型的做法就是在影像訊號(hào)端加上濾波器把1.8GHz頻段的訊號(hào)濾掉。

圖二所示是在智能型手機(jī)中比較容易發(fā)生電磁干擾的訊號(hào)。

仔細(xì)比較上圖一和圖二，你會(huì)發(fā)現(xiàn)幾乎所有會(huì)發(fā)生EMI問題的地方都有機(jī)會(huì)發(fā)生ESD問題。這時(shí)靜電保護(hù)裝置與濾波器整合在單芯片中就能帶來大好處，因?yàn)檫@樣的芯片不但提供訊號(hào)濾波功能也提供靜電保護(hù)功能，提供更完整的保護(hù)效果。這樣不僅節(jié)省了電路板上的面積也降低了生產(chǎn)的成本。這樣的芯片主要是選用DFN或CSP等超小型封裝以配合產(chǎn)品輕薄短小的趨勢(shì)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，縱然手機(jī)機(jī)殼具、電路板設(shè)計(jì)各有不同，靜電防護(hù)芯片卻是不可或缺的，EMI濾波器也是必須的。只有受到完整保護(hù)的智能型手機(jī)才能真正提供消費(fèi)者可靠的手機(jī)功能，否則手機(jī)上數(shù)據(jù)隨時(shí)可能因?yàn)殪o電的襲擊而瞬間化為烏有，也有機(jī)會(huì)因?yàn)?EMI)訊號(hào)干擾而失效。智能型手機(jī)如果在設(shè)計(jì)時(shí)能將靜電與電磁干擾防護(hù)效應(yīng)加入考慮，手機(jī)的可靠度也可以達(dá)到世界級(jí)的水平。其實(shí)手機(jī)的可靠度往往也就決定在這幾顆不起眼又很便宜的靜電與電磁干擾保護(hù)IC。

因?yàn)殪o電保護(hù)組件的價(jià)格很低，置入靜電保護(hù)組件的成本增加很少，卻可以大幅增加產(chǎn)品的可靠度，減少了大部分的退換貨需求。因此減少終端客戶因?yàn)镋SD/EMI現(xiàn)象造成的退換貨已經(jīng)是各廠商必須考慮的重點(diǎn)。