手机抗雷击浪涌测试及其设计

李雪玲，朱文立（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

手机抗雷击浪涌测试及其设计

李雪玲，朱文立
（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

介绍了手机及其充电器在产品认证中的浪涌检测要求，比较了各类浪涌防护器件的特点，分别对手机的通用充电器浪涌防护设计及其原理进行了仔细分析，以及对手机浪涌和瞬态脉冲保护提出了合理的对策方案。

手机；检测；浪涌；防护设计

引言

手机已经广泛深入到了普罗大众的日常生活，成为大家生活和工作中不可或缺的便捷工具，其应用早已突破了传统的双方无线通话功能，除了早就具备的短信和视频通话功能，到现在，已经成为大家随身携带的便携式工具取代了计算机、照相机、录音机、录像机、游戏机、电子书；网上冲浪工具取代了电视机、影碟机、CD机、报纸、杂志；金融工具去进行金融和资金管理完成各种支付功能；商务工具去进行网上销售和网购；社交工具去进行网上交友和交流；旅游工具进行导航方便大家驾车旅游及机票、车票、旅店的查询、预订；餐饮、休闲和娱乐指南等等，手机的重要性不言而喻。在手机的安全设计和使用上，除了电气安全中的防触电，以及手机电池的防起火爆炸外，手机防雷击浪涌设计是否到位也是非常重要的：若设计不到位，手机充电时，可能会因交流市网感应雷击而损坏，手机电池也可能因此过压起火爆炸，若用户一边充电一边使用手机，也可能会因此遭受雷击而出现人身伤亡事故。

1 手机浪涌测试及其相关要求

1.1 手机EMC检测标准

手机的雷击浪涌防护性能一直是手机电磁兼容检测标准中的重要一项。

国家手机检测和CCC认证的电磁兼容标准有: GB/ T 22450.1-2008《900/1 800 MHz TDMA 数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性限值和测量方法 第1部分：移动台及其辅助设备》、GB/T 19484.1-2013 《800 MHz/2 GHz cdma2000数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性要求和测量方法 第1部分：用户设备及其辅助设备》、YD/ T 1592.1-2012 《2 GHz TD-SCDMA数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性要求和测量方法 第1部分：用户设备及其辅助设备》、YD/T 1595.1-2012 《2 GHz WCDMA数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性要求和测量方法 第1部分：用户设备及其辅助设备》、YD/T 2583.14-2013 《蜂窝式移动通信设备电磁兼容性能要求和测量方法 第14部分：LTE用户设备及其辅助设备》。

这些手机电磁兼容检测标准中都包含该浪涌检测要求。

图1 施加的浪涌波形图

1.2 通用浪涌（冲击）抗扰度试验

该测试主要考核手机在使用AC/DC充电器给手机充电时，在交流电源端口有感应雷击浪涌存在时，手机和充电器是否可以承受一定等级的通过交流市网感应的雷击浪涌电压。

试验按GB/T 17626.5-2008进行，同时应满足下列要求：

1） 对于AC电源端口试验电平应为2 kV（线对地）、1 kV（线对线）。

2）对于直接与室外电缆连接的电信端口，试验电平应为1 kV（线对地），但如果EUT是电信中心设备，试验电平应为0.5 kV（线对地）；对于与室内电缆相连并且连接电缆长度大于10 m的电信端口，试验电平应为0.5 kV（线对地）。

3） 对于DC电源线上的试验电平应为1 kV（线对地）、0.5 kV（线对线）。

4） 试验脉冲波形为1.2/50 μs。

性能合格判据为B，其要求如下：

1）在试验之前应建立好通信链路。

2）试验后，被测样品（EUT）应能正常工作，无用户可察觉的通信质量的降低，无用户控制功能的丧失或存储数据的丢失，并且保持通信连接。

3）除了在业务模式下确认上述性能，还应进行空闲模式下的试验，发信机不应出现误操作。

4）如果EUT是一个单纯的发信机，试验应在空闲模式下进行，EUT在试验过程中不应出现误操作。

图2 浪涌耦合图

1.3 手机浪涌测试

手机需在连接AC/DC充电器充电时进行浪涌测试。测试按照1.2节要求进行，浪涌施加在充电器AC电源端口。当充电器无保护接地端子（PE）时（绝大多数手机充电器均是这种设计方式），只需在L-N之间施加1 kV浪涌电压（浪涌信号源内阻为2 Ω，最大浪涌电流500 A）。当充电器有保护接地端子时，则浪涌测试分别进行：在L-N之间施加1 kV浪涌电压（浪涌信号源内阻为2 Ω，最大浪涌电流500 A）；在L-PE和N-PE之间施加2 kV浪涌电压（浪涌信号源内阻为12 Ω，最大浪涌电流167 A）。试验按GB/T 17626.5-2008进行；试验脉冲波形为1.2/50 μs（8/20 μs）的组合波。测试时，手机分别在业务模式和空闲模式工作状态下进行，施加的浪涌波形如图1所示，浪涌耦合如图2所示。试验合格判定要求见1.2节。对应测试均符合要求时，可判定产品通用浪涌测试通过。

2 手机充电器AC/DC输入端口雷击浪涌设计

浪涌测试时，在端口施加的浪涌电压高达数千伏，浪涌电流也高达几百上千安培，持续时间短，一般为微秒级，电压上升速度很快。对此类干扰脉冲，采用传统滤波方式很难加以有效抑制，通常采用专用浪涌抑制器件加以吸收和抑制，以避免过高浪涌脉冲进入产品内部，超出内部电路承受极限，造成电路损坏或产生干扰。

表1 典型电源输入端浪涌抑制器件特点比较

2.1 常用浪涌抑制器件及其特点

常用的浪涌抑制器件根据其保护特性不同分为三大类。

第一类是钳位型过压保护器件，此类器件一般安装在被保护接口与接口电路并联，接口正常工作电压低过保护器件的阀值电压，保护器件不导通；当接口施加浪涌电压超过了保护器件的阀值电压时，保护器件导通，分流浪涌电流，并将端口电压钳位在阀值电压上，以保护端口内部电路。此类器件有：氧化锌压敏电阻（MOV）、瞬态电压抑制器（TVS）等。

第二类是开关型过压保护器件，此类器件也一般安装在被保护接口与接口电路并联，接口正常工作电压低过保护器件的阀值电压，保护器件不导通；当接口施加浪涌电压超过了保护器件的阀值电压时，保护器件导通，类似于开关合闸，处于近似短路状态，分流浪涌电流，端口导通及维持电压极低（一般10 V左右），以保护端口内部电路，只有当端口两端的电压低于保护器件导通维持电压时，保护器件才能再次恢复截止。此类器件有：陶瓷气体放电管（GDT）、玻璃气体放电管（SPG）、半导体放电管（TSS）等。

第三类是过流型保护器件，此类器件也一般安装在被保护接口并串联在接口输入端，接口正常工作电流低过保护器件的阀值电流，保护器件处于低阻抗状态；当接口施加浪涌电压，有大的浪涌电流流过保护器件，超过了保护器件的阀值电流，保护器件转为高阻状态，以限制大的浪涌电流进入接口，保护端口内部电路；浪涌电流消失后，保护器件再次恢复低阻状态，接口恢复到正常工作状态。此类器件有：自恢复保险丝（PPTC）。

一般电源端口比较多选择GDT、MOV、TVS进行保护，信号端口则较多选择GDT、TSS、TVS、PPTC进行保护。常见电源端口浪涌抑制器件特点如表1所示。

一般GDT、MOV用于大电流的浪涌保护和粗保护，TVS用于小电流浪涌保护和精密保护。由于GDT的可承受浪涌次数较低，手机充电器AC端较多使用MOV进行浪涌保护，而TVS体积较小，残压低，钳位精确，但通流能力较小，多用于手机DC接口的瞬态脉冲保护。

2.2 手机AC/DC充电器浪涌保护设计

手机AC/DC充电器内置有AC/DC转换电路，使用日常市网供电，并将高压交流转化为低压直流给手机充电。市电网络从室外引入，有可能感应到雷击浪涌高压，因此手机充电器AC输入端口应有一定的雷击浪涌防护能力，并通过相应的手机EMC检测标准的浪涌抗扰度测试。手机充电器的AC输入端口应有相应的浪涌防护电路。手机AC/DC充电器通常设计成II类安全设备，没有保护地线，浪涌测试只需在L-N之间进行，相应的保护电路只需安装在L-N之间即可，保护电路如图3所示。只需在电源入口处L-N之间安装一只压敏电阻即可。对额定输入为220 V交流的充电器，压敏电阻阀值电压选择470 V，额定电流容量选择750 A及以上即可（预留了50 %的电流余量，以增长器件的使用寿命）。

图3 保护电路图

部分手机充电器也设计成I类安全设备，带有保护地引脚，浪涌测试分别在L-N及L-PE和N-PE上施加，因此，相应的保护电路需分别安装在L-N、L-PE、N-PE之间，相应的保护电路如图5所示。如图4（a）所示，L-N之间选择阀值电压470 V电流容量大于750 A压敏电阻，L-PE和N-PE之间选择压敏电阻与气体放电管串联，压敏电阻与气体放电管均选择阀值电压470 V电流容量大于250 A的器件，其中气体放电管可选择两个两引脚的单独放电管，若印制板空间有限，也可选择一个二合一的三引脚的气体放电管。该电路能起到很好的浪涌防护作用。

由于充电器体积所限，加之成本考虑，有时会将图4（a）的电路简化为图4（b），也能起到较好的防护作用。MOV选择阀值电压470 V电流容量大于750 A器件，GDT选择阀值电压470 V电流容量大于250 A器件。此时，L-N之间浪涌由MOV保护，L-PE之间的浪涌由MOV 与GDT串联保护，N-PE之间浪涌由GDT保护。

对于部分按照I类安全结构设计的充电器，若保护接地端子PE未与DC输出的负极相连，且只有L-PE和N-PE之间的Y电容与PE连接，若相应Y电容能承受施加在其上的浪涌电压，则可省去L-PE和N-PE之间的浪涌保护电路，如图5（a）所示，此时，Y电容应在L-PE、N-PE施加2 kV浪涌电压时不会损坏；否则，还得按照图5（b）所示，安装相应的保护电路。

对于个别充电器设计成II类安全结构的I类安全设备，虽然充电器带有保护接地端子，但该端子未与内部任何电路连接，此时，按照II类安全设备安装保护电路即可。

部分简易型手机充电器为节省成本，会省略掉MOV 和GDT等保护器件。若设计得当，也可通过浪涌测试。

某款简易型手机充电器电路原理如图6所示。

该电路正常工作时，220 V交流通过D1、R1给C1充电，C1上最高电压约为310 V直流电压。

图5 浪涌测试相应的保护电路图

若进行浪涌测试，在L-N之间交流正峰值点施加1 kV浪涌电压，信号源内阻2 Ω，浪涌开路电压波形及短路电流波形如图1所示。该浪涌通过D1、R1被C1吸收，在浪涌脉冲作用下，C1上的最高浪涌电压可达480VDC，比正常工作电压升高约170 V，若后续电路能承受480 V直流电压，则该升高电压部分很快会被后续电路消耗掉。D1和R1上的峰值电流也高达约83 A，但持续时间很短，约数十微秒，若R1的额定功率合适，应该不会烧毁。但若后续电路无法承受该直流电压，该电路可做如下改进：将D1的4007换为整流桥，使得输入端的半波整流变为桥式整流，C1保持不变，R1的阻值加大到20 Ω。浪涌测试时，C1上的直流电压从正常的310 V直流升高到最高400 V直流，最大升幅约90 V；整理桥D1和R1上的峰值电流约为45.6 A。则浪涌脉冲对后续电路和输入环路的冲击显著减轻，只要相关回路元器件的额定值选择得当，一般不会对充电器产生较大的不利影响。

3 手机DC输入接口抗瞬态脉冲干扰设计

通常手机充电端口会与USB接口二合一，且目前大多数手机均为USB2.0接口。这类通用接口的手机充电器通常均是可以混用的，部分低档次手机可能连充电器都不配，这也催生了大量第三方手机充电器市场。此类充电器多由用户自行购买或由手机终端销售商选配。从多次手机监督抽查情况来看，由终端销售商自行选配的手机充电器已成为手机抽检不合格的重要原因之一。同时，第三方劣质手机充电器造成的手机各类故障不在少数，此类故障，手机制造商也很难举证是用户充电器造成，相应的售后服务成本增加给手机制造商造成不少损失。同时，大量第三方手机充电器输入端口一般没有安装浪涌抑制器件，当交流电网存在浪涌冲击时，会通过充电器DC输出进入被充电手机造成手机故障，甚至引发人身安全事故。因此，不少制造商也在寻求通过加强手机充电接口的保护电路，尽可能减小劣质充电器对手机的伤害，以及由此造成的损失。

图6 某款简易型手机充电器电路原理图

图7 接口保护电路图

对目前通用的手机充电接口，可通过加强瞬态干扰抑制措施，以保护手机内部电路免遭劣质充电器的伤害。通常的接口保护电路如图7所示。为了节省手机内部的宝贵空间，使用贴片的PPTC和贴片的专用集成USB接口保护芯片，集成保护芯片由一个单极性TVS和四个肖特基二极管构成，肖特基二极管将D+和D-上的瞬态干扰尖峰耦合到V+和GND上，再通过并在V+和GND之间的TVS加以吸收。肖特基二极管的结电容极小，对USB接口数据线上的USB2.0的高速数据没有影响。TVS的阀值电压与接口允许的最大充电电压相对应，一般可选为最大充电电压的1.5～2倍。PPTC的动作电流一般选择接口最大允许的充电电流2～3倍。该组合保护电路可对接口的常见瞬态尖峰脉冲提供良好的防护，包括EFT、ESD及外部充电器耦合进来的残余浪涌尖峰。

4 结语

手机及其充电器的浪涌防护性能检测是手机认证检测的基本要求，手机及其充电器应通过良好的瞬态及浪涌保护设计来满足测试要求，这样可为手机充电及其使用的安全性和可靠性提供良好保证，且可在一定程度上减少企业相应的售后服务支出，并为使用者减低手机维护成本。

[1] GB/T 19484.1-2013, 800 MHz/2 GHz cdma2000数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性要求和测量方法 第1部分：用户设备及其辅助设备[S].

[2] YD/T 1592.1-2012, 2 GHz TD-SCDMA数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性要求和测量方法 第1部分：用户设备及其辅助设备 [S].

[3] YD/T 1595.1-2012, 2 GHz WCDMA数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性要求和测量方法 第1部分：用户设备及其辅助设备 [S].

[4] YD/T 2583.14-2013,蜂窝式移动通信设备电磁兼容性能要求和测量方法 第14部分：LTE用户设备及其辅助设备 [S].

[5] GB/T 22450.1-2008, 900/1 800 MHz TDMA 数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性限值和测量方法 第1部分：移动台及其辅助设备 [S].

[6] GB/T 17626.5-2008,电磁兼容 试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验 [S].

[7]朱文立,陈燕,郭远东.电子电器产品电磁兼容质量控制及设计 [M].北京:电子工业出版社, 2015.

[8]陈立辉,朱文立,等.电磁兼容（EMC）设计与测试之移动通信产品 [M]. 北京:电子工业出版社, 2014.

李雪玲，女，高级工程师，四川省资阳市人，工业和信息化部电子第五研究所赛宝质量安全检测中心电磁兼容室，现主要从事无线通信及电子产品认证、电磁兼容检测及技术研究工作。

Surge Test and Design of Mobile Phone

LI Xue-ling，ZHU Wen-li
(CEPREI, Guangzhou 510610)

This paper introduces the requirements of mobile phone and charger in the product certification in surge detection, and compares the characteristics of various types of surge protection devices. The mobile phone universal charger surge protection design and its principle are analyzed, and the reasonable countermeasures for protection of mobile phone surge and transient impulse are given.

mobile phone; test; surge; protective design

TN03

A

1004-7204（2017）01-0006-06