音频视频类产品防静电设计

音频视频类产品防静电设计
作者：韩志刚
来源：《科技风》2017年第13期
摘要：本文描述了静电的基本概念，介绍了音视频类产品受静电危害的原因，讲解了音视频产品防静电测试要求以及针对静电防护的一些有效设计对策。

关键词：静电防护；测试标准；设计；对策
静电是一种客观存在的自然现象，产生的方式多种多样，如接触、摩擦、电器间感应等。

在日常生活中人们也常常碰到静电现象：晚上脱毛织或化纤衣物时听到响声或看到光亮；与人握手时手指刚一接触到对方，会突然感到指尖针刺般刺痛；这都是发生在人体身上的静电，而且人体静电电压可高达1万多伏。

对于音频视频类（Audio and Video）消费电子产品，产品内的许多集成电路芯片供电电压低，可承受电流极小，如果设计之初不注意静电的防护，极可能在产品使用过程中因静电接触产生工作不良、死机甚至损坏。

音频视频类电子产品【比如电视机、DVD、成套音响产品等】广泛使用于家庭中、演出场合、公共广播系统等，绝大部分都需要人体直接触碰产品表面的按键旋钮、插接各种产品表面的输入输出接口实现播放连接、控制等，成品设计中的静电防护对策是每一个产品设计工程师都必须面对的问题。

本文通过介绍静电接触对音视频产品产生危害的原因，说明音视频类电子产品预防静电设计的方案和对策。

一、静电特性简介
静电是一种处于静止状态的电荷或者说不流动的电荷（流动的电荷就形成了电流）。

当电荷聚集在某个物体上或表面时就形成了静电。

电荷分为正电荷和负电荷两种，也就是说静电现象也分为两种即正静电和负静电。

当带静电物体接触零电位物体（接地物体）或与其有电位差的物体时都会发生电荷转移，也就形成了我们所经历的一些因静电而产生损害的现象。

人在地毯或沙发上立起时，人体电压也可高1万多伏，而橡胶和塑料薄膜行业的静电更是可高达10多万伏。

静电具有高电压、低电量、小电流和作用时间短等特点，因为瞬间的高电压，很多电器产品中的电子元器件可能就因此损坏。

静电在多个领域造成严重危害，摩擦起电和人体静电是电子工业产品中的两大危害根源。

大部分国家都强制要求电子产品必须通过标准静电测试才可以在市场流通。

静电释放现象我们简称为ESD（ElectroStatic discharge），在消费电子产品中ESD防护性能是每个生产厂家都必须直面的产品性能项目之一。

二、静电接触对音视频产品产生危害的原因
音视频电子产品用于人们日常的生活娱乐，在科技高度发达的今天已经是人们身边不可或缺的消费品和常用品。

由于它们是用于播放音视频文件，大部分常规产品人们需要触控到产品表面以进行播放控制操作。

以现在市场上流行的蓝牙无线音箱产品为例，人们需要触控音箱表面的许多按键和旋钮进行电源开关、音量加减、上下曲选曲、蓝牙连接等音乐播放控制；音箱外部也有电源接口、USB接口、各种音频输入输出接口【比如AUX IN输入、光纤信号输入、RCA接口输入、LINE OUT输出口】需要进行接触操作。

这些操控按键和旋钮，输入或输出接口对应的电子元件在电流回路中均直接连入了音箱系统的其他电子元件和电路系统中，人体或其他外接设备【比如带端子的线材】所带的高压静电由于物理接触很容易直接进入音箱电路系统，对各种关键电子元器件产生直接的电路干扰，严重的情况下直接损坏电子元器件以及整个产品。

某音箱产品图示：
综合上述说明，消费电子产品厂家在音视频产品的设计阶段，不得不在预防静电这一方面做好对应的对策，在发布产品前应当做好防静电性能的测试确认。

三、音频视频类电子产品静电防护测试标准及说明
对于音频视频类电子产品，各国均有对应的强制安规（Safety）以及电磁兼容（EMC）认证测试法规要求。

EMC测试又包含电磁干扰（EMI）和电磁抗扰（EMS）两大项，而静电防护测试【ESD测试】则属于电磁抗扰EMS测试中的重要项目。

ESD测试使用专业的ESD静电枪测试设备，对于产品有接触测试和空气放电测试两大类。

（一）接触测试
对于音视频产品人体手掌可以接触的金属件表面（含绝缘涂层的金属件）、塑料电镀后导电的导电表面，要用静电测试仪器的尖嘴枪嘴接触导电表面，用±4kV高压放电10次。

测试过程中若音视频产品播放信号无中断，指示元件无异常，产品其他无仼何异常，属A级静电测试通过。

若音视频信号有中断或指示元件有临时异常，但产品本身可以自动恢复（只可以用放电棒对音视频产品放电，不能进行仼何按键操作）且产品无其他异常，待自动恢复后产品可正常按键操作，属B级静电测试通过。

大部分国家法规对于接触测试A级B级通过均可接受（包括中国的CCC认证），个别国家对于测试条件有不同要求，比如巴西要求接触测试电压为±6kV.
有USB外接口的音视频产品，一些国家（欧洲、韩国等）要归入IT类产品要求，接触测试±4kV高压放电25次。

（二）空气放电测试
通常对音视频产品的塑胶、橡胶类部件的表面缝隙、按键位和3.5mm音频端子接口、 DC 接口、RCA 端子接口、USB 接口等元件塑胶填充位置，要用静电测试仪器圆嘴枪嘴在空气距离被测试物体表面12mm处用±8kV高压放电10次。

若音视频播放信号无中断，指示元件无异常，产品其他无仼何异常，属A级静电测试通过。

若音视频信号有中断或指示元件有临时异常，但产品本身可以自动恢复（只可以用放电棒对音视频产品放电，不能进行仼何按键操作）且产品无其他异常，待自动恢复后产品可正常按键操作，属B级静电测试通过。

大部分国家法规对于空气放电测试A级B级通过均可接受（包括中国的CCC认证）。

有些品牌商家为保障产品性能，内部测试标准更为严苛，对音视频产品内部静电空气放电测试电压要求达到±16kV。

四、音频视频类电子产品防静电设计对策分析说明
音视频产品属于通电工作的电子产品，在工作过程中随时可能遇到外部的静电干扰导致电路中的元器件损坏。

音视频产品的静电防护设计要开始于产品最初的工业设计、电路原理设计等。

下面简单介绍一些针对音视频产品的静电防护的设计和对策方法。

1）产品设计初期要构思对产品中金属或塑胶类部件ESD的预防：优先对按键/旋钮及其所在的PCB组件进行处理，利用简单的塑料或橡胶等遮挡隔离静电进入PCB组件。

例A：某音箱使用橡胶套盖住按键以及整块PCB组件。

例B：某音箱使用橡胶皮盖住带按键的FPC【柔性PCB】板组件，既起到静电防护作用又使得按键手感柔软舒适，并在一定程度上提升了外观设计美感。

对于音视频产品的按键，特别是触摸按键，其按键PCB组件与系统的MCU （Microcontroller Unit微控制单元）芯片直接连接，如果静电接触到按键，高压可能直接损害到MCU芯片。

工业设计及产品结构设计初期要构思好按键的静电防护才能更好地处理MCU 失控的ESD难题。

2）若产品表面有大块的金属件、金属网罩，结构设计上需要在金属面上加镙丝孔，打上螺丝后方便使用单根电线连接金属面板和音箱内部的PCB组件的地线网络（零电平网络）。

如果产品外部有USB接口类金属部分，USB端子元件的金属部分管脚需要接入所在PCB组件的地线网络。

这样操作使得金属表面一旦带上静电，马上可以流入音箱内部的PCB组件地线网络中，不对信号电路产生影响。

3）输入输出接口以及各种裸露在外的信号控制开关或接口，在电路设计中针对它们的信号线加上ESD保护电路或者直接在信号线上加上专业的对地ESD保护器件。

RLC电路是常见的ESD保护电路，如下图所示。

专业的ESD保护器件，目前市场上的TVS管（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR，或称瞬变电压抑制二极管）是比较常用且有效的电子元件。

针对信号在电路中的参数，可以选择合适的TVS管进行匹配。

使用方法为将TVS管一端接信号，一端接地即可。

以上两种电路处理方式，均要将ESD电路摆放在静电干扰的信号源头，以便尽快将电路
上带入的静电泄放到地线网络上。

4）用软件自动复位的方式解决ESD干扰带来的产品瞬间工作不良问题。

目前的音视频产品电路中均有MCU控制单元，如果某产品本身MCU芯片不会受到静电干扰而其他电路存在
受到静电干扰的可能，可以通过完善产品软件让MCU自动检测其他电路部分是否工作正常（如数字信号处理DSP部分，视频译码器芯片部分，驱动芯片部分），检测到工作故障后让MCU重新复位故障芯片以达到恢复产品正常工作的目的。

若MCU控制单元从检测到有故障到恢复产品正常工作的时间小于300毫秒，因人的眼睛、耳朵无法发现明显的播放信号顿挫或产品指示异常，静电测试中可以直接判定为A级静
电测试通过；若MCU控制单元需要较长些的时间把故障恢复（1到10秒间），则可以判定为B级静电测试通过，也是满足静电防护要求的。

（关于A级B级测试通过标准第四段落已有
提及说明）
五、结语
音视频产品本身容易接触到静电，对于产品的静电防护设计涉及面比较广，而且音视频产品的电子系统又具有复杂性与多样性的特点，因此，在对音视频产品进行静电防护设计时，要在设计初期就将静电防护作为重要部分，对产品的各个方面（如外观、结构、电路、软件功能等）进行具体的、有针对性的ESD设计，多方位保证产品不受静电干扰而影响本身性能。

参考文献：
[1]苗萌.ESD防护设计的若干问题研究[D].浙江大学，2012.
[2]钱涛.有关电子通信产品的ESD防护设计分析[J].企业技术开发（下），2011（12）：89.
[3]居宇鸿.ESD的危害及其防护[J].中国新技术新产品，2012年18期.。