一文看懂手机电磁兼容的几点问题与解决方案.docx

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一文看懂手机电磁兼容的几点问题与解决方案本文针对手机电磁兼容测试中经常出现的问题，包括静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、辐射骚扰及传导骚扰性能测试中经常发现的问题进行了分析，并提出了相应的改善手机电磁兼容性能的建议。1静电放电抗扰度试验1.1静电放电抗扰度试验常见问题静电放电抗扰度测试中出现的问题主要表现在以下几个方面。(1)手机通话中断。(2)静电放电导致手机部分功能失效，但静电放电过程结束后或者重新启动手机之后失效的功能可以恢复。这些现象可能为：屏幕显示异常，如屏幕显示呈白色、出现条纹、显示出现乱码、显示模糊等等;通话效果出现问题，如啸叫声或者声音消失;按键功能或者触摸屏功能丧失;软件出现误告警，如在并没有出现插拔充电器的情况下频繁提示充电已连接、充电器已移除。(3)手机自动关机或者重新启动现象。这个问题既可能发生在通话过程中，也可能发生在待机过程中。(4)静电放电导致手机失效或损坏。由于部分器件损坏，手机的一些功能在重新启动后仍无法恢复，如摄像头功能;自动关机后无法再次开机的情况;与充电器相连接的情况下进行测试时，充电器也可能出现失效、损坏甚至爆炸等问题。1.2静电放电问题的具体分析(1)通话中断：造成通话中断的主要原因是静电放电对手机内部的射频电路和/或基带电路造成影响，造成了通信信噪比的下降，信号同步出现问题，从而造成通话中断。结构设计不合理也可能导致通话中断。静电放电试验中需要使用较大面积的金属材质的水平耦合板，手机与水平耦合板之间仅放置一个厚度为0.5mm的绝缘垫。当天线或者大面积的金属部件距离这个水平耦合板距离过近时，可能产生相互耦合，导致移动电话机实际能达到的灵敏度大大下降，进行静电试验时通话更容易中断，严重时即使不施加静电干扰移动电话机都无法保持通话。(2)自动关机或重启：基带电路的复位电路受到静电的干扰导致手机误关机或重启。(3)手机失效或损坏：静电放电过程中高电压和高电流导致器件的热失效或者绝缘击穿。也可能受到静电放电过程中的强电磁场影响导致器件暂时失效。(4)软件故障：静电干扰信号被当作有用信号被处理，导致操作系统误响应。1.3静电放电问题的改进建议(1)在设计方案上考虑静电放电问题尽量选择静电敏感度等级高的器件;器件与静电源隔离;减少回路面积(面积越大，所包含的场流量越大，其感应电流越大)。具体的措施可能包括：走线越短越好;电源与地越接近越好;存在多组电源和地时，以格子方式连接;太长的信号线或电源线必须与地线交错布置;信号线越靠近地线越好;所有的组件越近越好;同一特性器件越近越好;接地平面设计：尽量在PCB上使用完整的地平面;PCB接地面积越大越好;不要有大的缺口;PCB的接地线需要低阻抗且要有良好的隔离;电源、地布局在板中间比在四周好;在电源和地之间放置高频旁路电容;保护静电敏感的元器件。(2)出现静电问题后的整改建议针对上述静电放电问题，需要采取以下步骤进行整改。a)尝试直接放电和间接放电、空气放电和接触放电，确认耦合路径;b)从不同方向放电，观察现象有何不同，确定所有的放电点和放电路径;c)从低到高，在不同电压下进行试验，确定手机在哪个电压范围内出现不合格现象;d)多试验几台样机，分析共性，确认失效原因;e)根据耦合路径、不合格现象、放电路径，判断相关的敏感器件;f)针对敏感器件制订解决方案;g)通过试验验证、修正解决方案。整改中具体可采用以下措施。对于机壳缝隙、按键、FPCB的问题可用介质隔离的方式来处理;对于摄像头、麦克风、听筒等问题可以通过介质隔离、加强接地等方式来处理;具有屏蔽壳的芯片可以通过加强屏蔽效果、屏蔽壳加强接地的方式来处理;对于接口电路、关键芯片的引脚，要通过使用保护器件(如TVS管，ESD防护器件)来加以保护;.对于软件的故障，可以通过增加一些逻辑判断来正确检测和处理告警信息的方式来改善。2电快速瞬变脉冲群抗扰度试验2.1电快速瞬变脉冲群抗扰度试验概述电快速瞬变脉冲群产生的原理如下：当电感性负载(如继电器、接触器等)在断开时，由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因，在断开处产生的瞬态骚扰。当电感性负载多次重复开关，则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。这种瞬态骚扰能量较小，一般不会引起设备的损坏，但由于其频谱分布较宽，所以会对移动电话机的可靠工作产生影响。该试验是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群耦合到移动电话机的电源端口的试验。试验脉冲的特点是：瞬变脉冲上升时间短、重复出现、能量低。该试验的目的就是为了检验手机在遭受这类暂态骚扰影响时的性能。一般认为电快速瞬变脉冲群之所以会造成手机的误动作，是因为脉冲群对线路中半导体结电容充电，当结电容上的能量累积到一定程度，便会引起手机的误操作。具体表现为在测试过程中移动电话机通信中断、死机、软件告警、控制及存储功能丧失等。2.2电快速瞬变脉冲群抗扰度试验常见问题分析电快速瞬变脉冲波形通过充电器直接传导进手机，导致主板电路上有过大的噪声电压。当单独对火线或零线注入时，尽管是采取的对地的共模方式注入，但在火线和零线之间存在差模干扰，这种差模电压会出现在充电器的直流输出端。当同时对火线和零线注入时，存在着共模干扰，但对充电器的输出影响并不大。造成手机在测试过程中出现问题的原因是复杂的，具体表现为以下几方面。前期设计时未考虑电快速瞬变脉冲群抑制功能，没有添加相关的滤波元器件，PCB设计综合布线时也没有注意线缆的隔离，主板接地设计也不符合规范，另外关键元器件的也没有采取屏蔽保护措施等;生产厂在元器件供应商的选择上没有选用性能可靠的关键器件，导致测试过程中器件老化或者器件失效，从而容易受到电快速瞬变脉冲的干扰;在整机生产组装过程中，加工工艺及组装水平出现的问题可能会导致产品一致性不好，个别送检手机存在质量问题;检测过程中由于其他测试项出现问题导致整改，可能由于整改方案的选择会影响到电快速瞬变脉冲群测试不合格。2.3电快速瞬变脉冲群抗扰度试验相关问题的改进建议针对电快速脉冲群干扰试验出现的问题，主要可以采取滤波及吸收的办法来实现对电快速瞬变脉冲的抑制。(1)在手机设计初期就应重点考虑抑制电快速瞬变脉冲群干扰设计。在PCB层电源输入位置要做好滤波，通常采用的是大小电容组合，根据实际情况可以酌情再添加一级磁珠来滤除高频信号，尽量采用表面封装;尽量减小PCB的地线公共阻抗值;PCB布局尽量使干扰源远离敏感电路;PCB的各类走线要尽量短;减小环路面积;在综合布线时要注意强弱电的布线隔离、信号线与功率线的隔离。综合布线是系统很重要的一个设计组成部分，一个糟糕的综合布线格局很可能断送一个设计精良的PCB的稳定性;关键敏感芯片需要屏蔽;软件上应正确检测和处理告警信息，及时恢复产品的状态。(2)元器件的选择上应使用质量可靠的芯片，最好做过芯片级的电磁兼容仿真试验，质量可靠的充电器、数据线及电池的选用可提升对电快速瞬变脉冲信号的抑制能力;(3)厂家在组装生产环节中应严把质量关，做好生产工艺流程控制，尽量保证产品质量的一致性，减少因个别手机质量问题带来的测试不合格现象;(4)EFT测试过程中如出现问题，可采用在充电器增加磁环或者电快速瞬变脉冲群滤波器的方法进行整改，选用磁珠的内径越小、外径越大、长度越长越好。采用加TVS管的整改方法作用有限;(5)根据最新GB/T17626.4-2008标准要求，重复频率将增加100kHz选项，将会比5kHz更为严酷，厂家应及早重视进行相关的电快速瞬变脉冲群测试防护工作。3辐射骚扰及传导骚扰3.1辐射骚扰、传导骚扰相关问题的具体情况辐射骚扰测试主要在30MHz-100MHz和200MHz-900MHz频率范围内容易不合格，传导骚扰则体现在5MHz-30MHz频段范围内容易不合格。3.2辐射骚扰传导骚扰相关问题分析辐射骚扰与传导骚扰测试，是在使用充电器为手机充电，同时手机保持通信状态以及最大发射功率情况下，进行的电磁兼容测试。测试的结果是手机与充电器联合工作的情况下的测试结果。不合格的原因可能是充电器造成的，也可能是手机本身造成的，也可能是手机与充电器联合工作时兼容性不好而不合格。产生问题的原因可能有以下几个方面。充电器和手机在最初的设计阶段没有充分的考虑电磁兼容性能;在设计时，没有针对辐射骚扰和传导骚扰的电磁兼容性进行设计并采取相应的对策;充电器和手机选用的元器件的电磁兼容性不好或质量达不到要求;手机在选用充电器时，没有充分考虑手机和充电器间的电磁兼容性及手机和充电器的匹配性，手机是非线性负载，在振铃及通话时，如果电池电量不足而进行充电时，耗费的能量很大，会有很大的冲击电流，这样如果选用的充电器不匹配或输出电流过小，测试过程中会造成充电器满负荷工作或超负荷工作而产生电磁兼容问题，更严重甚至会产生安全问题。另外如果充电不正常，也会造成手机器件不正常工作而产生电磁兼容问题。充电器和手机间的相互干扰也会造成测试结果超标;在进行测试前，手机和充电器没有配合进行电磁兼容预测试，充电器有可能单独使用负载做了电磁兼容测试，测试的结果不能反应与手机共同测试的结果。3.3辐射骚扰传导骚扰相关问题的改进建议(1)在设计阶段要充分考虑电磁兼容特性，合理考虑电路板的接地设计，应保持接地环路尽量小，使用网格接地，信号线或电源线尽量与地线靠近。设计过程中，对充电器和手机的充电端口采取滤波措施，对辐射发射敏感元器件采取屏蔽措施，增加屏蔽罩。(2)选择质量好，电磁兼容特性好的元器件。(3)优化器件的位置、布局和布线。器件布局一直按照功能和器件类型来对元器件进行分组，例如，对既存在模拟电路、又存在数字器件的电路板，可将器件按工作电压、频率进行分组布局;对给定的产品系列或电源电压，可按功能对器件进行分组。器件分组布局完毕后，必须根据元器件组电源电压的差别，将电源层布置在各器件组的下方。如果有多层地，那么就必须把数字地层紧贴数字电源层，模拟地紧贴模拟电源层，模拟地和数字地要有一个共地点。通常，电路中存在A/D或D/A器件，这些转换器件同时由模拟和数字电源供电，因此要将转换器放置在模拟电源和数字电源之间。如果数字地和模拟地是分开的，它们将在转换器汇合。当电路板按照器件系列和电源电压分组时，组内信号的传送不能跨越另外的器件组，如果信号跨过界限，就不能与其回流路径紧密耦合，这样会增大电路的环路面积，从而使电感增加，电容减小，进而导致共模和差模干扰的增加。电路板设计过程中要避免出现各种隔离带。虽然相距很近的一排通孔并不违反设计规则，但是，在电源层和地层上过多的通孔有时相当于开出一条隔离带，要避免在该区域内布线，例如，一个3ns的信号回路如果偏离其信号源路径0.40英寸，则过冲/欠冲和感生串扰会大增，足以使电路工作出现异常，并同时增加差模和共模干扰。(4)充分考虑充电器与手机的兼容性和匹配性。充电器的输出电流应大于手机的峰值电流。在选择匹配的充电器前，应使用相应的充电器配合手机进行辐射骚扰和传导骚扰预测试，验证两者间的电磁兼容特性，选择电磁兼容特性好的充电器。(5)后期整改措施对测试结果进行分析，听取电磁兼容测试工程师的建议。对于辐射骚扰测试，通过试验确认是充电器对测试结果的影响大还是手机的影响大。一般如果是低频超出限值，则是充电器的影响大些，如果是高频则可能手机的影响大;传导骚扰测试也要确认哪个影响是主要因素。如果充电器的影响为主要因素，首先确认充电器的各个器件是否正常工作;如果是某个器件有问题，先更换相应的器件后再进行测试。增加滤波电容或改进相应的滤波电路，对辐射骚扰和传导骚扰都会有改进。如果确认是手机的问题，确定超出频率的来源，对相应的器件进行屏蔽处理：加强屏蔽特性;改进屏蔽的接地;增加相应的滤波电容或对滤波电路进行调整;改进相应的匹配电路减少谐波或混频干扰;加强手机的充电电路的滤波和接地，等等。使用好的充电线缆，建议使用两端都能接地的屏蔽线缆。在手机侧或充电器侧加铁氧体磁环，对于辐射骚扰可能会有一定的改进，对于传导骚扰有时影响不大，要根据测试的频率，选择磁环的相应频率。综上所述，对于辐射骚扰和传导骚扰，应把握以下原则：a)注重设计阶段的电磁兼容设计;b)注重充电器和手机的匹配;c)选择优良的元器件。4结论手机的电磁兼容性能直接关系到手机的各个性能，保证手机的电磁兼容性能是保证手机质量的一个重要环节，因此手机的电磁兼容测试及设计不容忽视。