音頻視頻類產品防靜電設計

韓志剛

摘要：本文描述了靜電的基本概念，介紹了音視頻類產品受靜電危害的原因，講解了音視頻產品防靜電測試要求以及針對靜電防護的一些有效設計對策。

關鍵詞：靜電防護；測試標準；設計；對策

靜電是一種客觀存在的自然現象，產生的方式多種多樣，如接觸、摩擦、電器間感應等。在日常生活中人們也常常碰到靜電現象：晚上脫毛織或化纖衣物時聽到響聲或看到光亮；與人握手時手指剛一接觸到對方，會突然感到指尖針刺般刺痛；這都是發生在人體身上的靜電，而且人體靜電電壓可高達1萬多伏。對于音頻視頻類（Audio and Video）消費電子產品，產品內的許多集成電路芯片供電電壓低，可承受電流極小，如果設計之初不注意靜電的防護，極可能在產品使用過程中因靜電接觸產生工作不良、死機甚至損壞。

音頻視頻類電子產品【比如電視機、DVD、成套音響產品等】廣泛使用于家庭中、演出場合、公共廣播系統等，絕大部分都需要人體直接觸碰產品表面的按鍵旋鈕、插接各種產品表面的輸入輸出接口實現播放連接、控制等，成品設計中的靜電防護對策是每一個產品設計工程師都必須面對的問題。本文通過介紹靜電接觸對音視頻產品產生危害的原因，說明音視頻類電子產品預防靜電設計的方案和對策。

一、靜電特性簡介

靜電是一種處于靜止狀態的電荷或者說不流動的電荷（流動的電荷就形成了電流）。當電荷聚集在某個物體上或表面時就形成了靜電。電荷分為正電荷和負電荷兩種，也就是說靜電現象也分為兩種即正靜電和負靜電。當帶靜電物體接觸零電位物體（接地物體）或與其有電位差的物體時都會發生電荷轉移，也就形成了我們所經歷的一些因靜電而產生損害的現象。人在地毯或沙發上立起時，人體電壓也可高1萬多伏，而橡膠和塑料薄膜行業的靜電更是可高達10多萬伏。

靜電具有高電壓、低電量、小電流和作用時間短等特點，因為瞬間的高電壓，很多電器產品中的電子元器件可能就因此損壞。靜電在多個領域造成嚴重危害，摩擦起電和人體靜電是電子工業產品中的兩大危害根源。大部分國家都強制要求電子產品必須通過標準靜電測試才可以在市場流通。

靜電釋放現象我們簡稱為ESD（ElectroStatic discharge），在消費電子產品中ESD防護性能是每個生產廠家都必須直面的產品性能項目之一。

二、靜電接觸對音視頻產品產生危害的原因

音視頻電子產品用于人們日常的生活娛樂，在科技高度發達的今天已經是人們身邊不可或缺的消費品和常用品。由于它們是用于播放音視頻文件，大部分常規產品人們需要觸控到產品表面以進行播放控制操作。

以現在市場上流行的藍牙無線音箱產品為例，人們需要觸控音箱表面的許多按鍵和旋鈕進行電源開關、音量加減、上下曲選曲、藍牙連接等音樂播放控制；音箱外部也有電源接口、USB接口、各種音頻輸入輸出接口【比如AUX IN輸入、光纖信號輸入、RCA接口輸入、LINE OUT輸出口】需要進行接觸操作。這些操控按鍵和旋鈕，輸入或輸出接口對應的電子元件在電流回路中均直接連入了音箱系統的其他電子元件和電路系統中，人體或其他外接設備【比如帶端子的線材】所帶的高壓靜電由于物理接觸很容易直接進入音箱電路系統，對各種關鍵電子元器件產生直接的電路干擾，嚴重的情況下直接損壞電子元器件以及整個產品。

某音箱產品圖示：

綜合上述說明，消費電子產品廠家在音視頻產品的設計階段，不得不在預防靜電這一方面做好對應的對策，在發布產品前應當做好防靜電性能的測試確認。

三、音頻視頻類電子產品靜電防護測試標準及說明

對于音頻視頻類電子產品，各國均有對應的強制安規（Safety）以及電磁兼容（EMC）認證測試法規要求。EMC測試又包含電磁干擾（EMI）和電磁抗擾（EMS）兩大項，而靜電防護測試【ESD測試】則屬于電磁抗擾EMS測試中的重要項目。ESD測試使用專業的ESD靜電槍測試設備，對于產品有接觸測試和空氣放電測試兩大類。

（一）接觸測試

對于音視頻產品人體手掌可以接觸的金屬件表面（含絕緣涂層的金屬件）、塑料電鍍后導電的導電表面，要用靜電測試儀器的尖嘴槍嘴接觸導電表面，用±4kV高壓放電10次。測試過程中若音視頻產品播放信號無中斷，指示元件無異常，產品其他無仼何異常，屬A級靜電測試通過。

若音視頻信號有中斷或指示元件有臨時異常，但產品本身可以自動恢復（只可以用放電棒對音視頻產品放電，不能進行仼何按鍵操作）且產品無其他異常，待自動恢復后產品可正常按鍵操作，屬B級靜電測試通過。

大部分國家法規對于接觸測試A級B級通過均可接受（包括中國的CCC認證），個別國家對于測試條件有不同要求，比如巴西要求接觸測試電壓為±6kV.

有USB外接口的音視頻產品，一些國家（歐洲、韓國等）要歸入IT類產品要求，接觸測試±4kV高壓放電25次。

（二）空氣放電測試

通常對音視頻產品的塑膠、橡膠類部件的表面縫隙、按鍵位和3.5mm音頻端子接口、 DC 接口、RCA 端子接口、USB 接口等元件塑膠填充位置，要用靜電測試儀器圓嘴槍嘴在空氣距離被測試物體表面12mm處用±8kV高壓放電10次。若音視頻播放信號無中斷，指示元件無異常，產品其他無仼何異常，屬A級靜電測試通過。

若音視頻信號有中斷或指示元件有臨時異常，但產品本身可以自動恢復（只可以用放電棒對音視頻產品放電，不能進行仼何按鍵操作）且產品無其他異常，待自動恢復后產品可正常按鍵操作，屬B級靜電測試通過。

大部分國家法規對于空氣放電測試A級B級通過均可接受（包括中國的CCC認證）。有些品牌商家為保障產品性能，內部測試標準更為嚴苛，對音視頻產品內部靜電空氣放電測試電壓要求達到±16kV。

四、音頻視頻類電子產品防靜電設計對策分析說明

音視頻產品屬于通電工作的電子產品，在工作過程中隨時可能遇到外部的靜電干擾導致電路中的元器件損壞。音視頻產品的靜電防護設計要開始于產品最初的工業設計、電路原理設計等。下面簡單介紹一些針對音視頻產品的靜電防護的設計和對策方法。

1）產品設計初期要構思對產品中金屬或塑膠類部件ESD的預防：優先對按鍵/旋鈕及其所在的PCB組件進行處理，利用簡單的塑料或橡膠等遮擋隔離靜電進入PCB組件。

例A：某音箱使用橡膠套蓋住按鍵以及整塊PCB組件。

例B：某音箱使用橡膠皮蓋住帶按鍵的FPC【柔性PCB】板組件，既起到靜電防護作用又使得按鍵手感柔軟舒適，并在一定程度上提升了外觀設計美感。

對于音視頻產品的按鍵，特別是觸摸按鍵，其按鍵PCB組件與系統的MCU（Microcontroller Unit微控制單元）芯片直接連接，如果靜電接觸到按鍵，高壓可能直接損害到MCU芯片。工業設計及產品結構設計初期要構思好按鍵的靜電防護才能更好地處理MCU 失控的ESD難題。

2）若產品表面有大塊的金屬件、金屬網罩，結構設計上需要在金屬面上加鏍絲孔，打上螺絲后方便使用單根電線連接金屬面板和音箱內部的PCB組件的地線網絡（零電平網絡）。如果產品外部有USB接口類金屬部分，USB端子元件的金屬部分管腳需要接入所在PCB組件的地線網絡。這樣操作使得金屬表面一旦帶上靜電，馬上可以流入音箱內部的PCB組件地線網絡中，不對信號電路產生影響。

3）輸入輸出接口以及各種裸露在外的信號控制開關或接口，在電路設計中針對它們的信號線加上ESD保護電路或者直接在信號線上加上專業的對地ESD保護器件。

RLC電路是常見的ESD保護電路，如下圖所示。

專業的ESD保護器件，目前市場上的TVS管（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR，或稱瞬變電壓抑制二極管）是比較常用且有效的電子元件。針對信號在電路中的參數，可以選擇合適的TVS管進行匹配。使用方法為將TVS管一端接信號，一端接地即可。

以上兩種電路處理方式，均要將ESD電路擺放在靜電干擾的信號源頭，以便盡快將電路上帶入的靜電泄放到地線網絡上。

4）用軟件自動復位的方式解決ESD干擾帶來的產品瞬間工作不良問題。目前的音視頻產品電路中均有MCU控制單元，如果某產品本身MCU芯片不會受到靜電干擾而其他電路存在受到靜電干擾的可能，可以通過完善產品軟件讓MCU自動檢測其他電路部分是否工作正常（如數字信號處理DSP部分，視頻譯碼器芯片部分，驅動芯片部分），檢測到工作故障后讓MCU重新復位故障芯片以達到恢復產品正常工作的目的。

若MCU控制單元從檢測到有故障到恢復產品正常工作的時間小于300毫秒，因人的眼睛、耳朵無法發現明顯的播放信號頓挫或產品指示異常，靜電測試中可以直接判定為A級靜電測試通過；若MCU控制單元需要較長些的時間把故障恢復（1到10秒間），則可以判定為B級靜電測試通過，也是滿足靜電防護要求的。（關于A級B級測試通過標準第四段落已有提及說明）

五、結語

音視頻產品本身容易接觸到靜電，對于產品的靜電防護設計涉及面比較廣，而且音視頻產品的電子系統又具有復雜性與多樣性的特點，因此，在對音視頻產品進行靜電防護設計時，要在設計初期就將靜電防護作為重要部分，對產品的各個方面（如外觀、結構、電路、軟件功能等）進行具體的、有針對性的ESD設計，多方位保證產品不受靜電干擾而影響本身性能。

參考文獻：

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