ESD測(cè)試中接地不良引起的通訊故障死機(jī)的原因及解決辦法

1.引言

獨(dú)學(xué)而無(wú)友，則孤陋而寡聞；

2.背景介紹

某控制器產(chǎn)品在做認(rèn)證測(cè)試中，ESD ±6KV接觸放電出現(xiàn)通訊故障死機(jī)問(wèn)題，需要重啟后可恢復(fù)，針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析和整改。

3.分析與整改

3.1控制器組網(wǎng)與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)

控制器組網(wǎng)與ESD放電點(diǎn)示意圖參見(jiàn)圖1所示。

（a）組網(wǎng)與放電點(diǎn)示意圖

（b）放電點(diǎn)實(shí)物圖

圖1 控制器組網(wǎng)及實(shí)驗(yàn)點(diǎn)

3.2試驗(yàn)現(xiàn)象

ESD接觸放電±6KV，對(duì)放電點(diǎn)1和放電點(diǎn)2進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)（每個(gè)點(diǎn)放電3-6次左右），及放電點(diǎn)3（每個(gè)點(diǎn)放電10-20次左右）就會(huì)出現(xiàn)通訊故障，無(wú)法與上位機(jī)通訊，處于死機(jī)狀態(tài)，需要重動(dòng)恢復(fù)。放電點(diǎn)4試驗(yàn)無(wú)問(wèn)題。

3.3接地可靠性排查

3.3.1接地點(diǎn)阻抗測(cè)定

利用萬(wàn)用表對(duì)蓋板接地點(diǎn)阻抗測(cè)定，結(jié)果如下：

表1 接地阻抗

注：ESD頻譜達(dá)到GHz頻段，利用萬(wàn)用表進(jìn)行機(jī)殼接地阻抗值是不準(zhǔn)確的，但可以做為初步的定性分析判斷。

3.3.2機(jī)殼接地點(diǎn)變更排查

對(duì)控制器的接地點(diǎn)位置進(jìn)行人為變更，對(duì)各放電點(diǎn)進(jìn)行ESD實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證各接地的可靠性，詳細(xì)結(jié)果參見(jiàn)表2。

表2 機(jī)殼接地點(diǎn)變更實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.3接地可靠性排查小結(jié)

（1）接地點(diǎn)位置變更后到2后，放電點(diǎn)2/3/4實(shí)驗(yàn)沒(méi)有問(wèn)題，但放電點(diǎn)1仍然會(huì)導(dǎo)致通訊故障死機(jī)；接地點(diǎn)位置變更后到1后，放電點(diǎn)1/4實(shí)驗(yàn)沒(méi)有問(wèn)題，但放電點(diǎn)2/3仍然會(huì)導(dǎo)致通訊故障死機(jī)。

（2）蓋板與機(jī)殼地搭接不良，接地點(diǎn)1/2/3接地阻抗較大，接地點(diǎn)4的阻抗可接受；

（3）整體的控制器蓋板與機(jī)殼的搭接設(shè)計(jì)不可靠，導(dǎo)致ESD測(cè)試中會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

3.4接地不良導(dǎo)致通訊故障死機(jī)問(wèn)題分析

3.4.1ESD耦合機(jī)理分析

3.4.1.1ESD波形參數(shù)

IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中ESD放電電流波形參數(shù)如圖2所示[1]，6KV的放電電流峰值為22.5（1±15%）A。

圖2接觸放電電流波形參數(shù)

3.4.1.2ESD頻譜特性

6KV等級(jí)ESD的放電電流與頻譜特性參見(jiàn)圖3和圖4所示[2]。ESD的幅值一般在頻率0～1.2 GHz 間，超過(guò)1.2 GHz 幅值基本衰減為0，整個(gè)頻率期間出現(xiàn)了2 次峰值．頻率在0～30 MHz 間，幅值逐漸衰減，并且衰減較快．然后隨頻率增加至60 MHz 時(shí)，幅值達(dá)到第二個(gè)峰值，隨著頻率繼續(xù)增加，幅值逐漸衰減至0。

圖3 6KV放電電流波形

圖4 6KV接觸放電電流頻譜

3.4.1.3ESD放電耦合機(jī)理分析

（1） ESD的干擾模式

ESD以共模干擾方式對(duì)控制器進(jìn)行干擾，主要有以下幾種形式：

◆ ESD放電中形成的場(chǎng)耦合，一般發(fā)生在接地點(diǎn)良好，但接地位置附近有敏感信號(hào)或走線的情況：

◆ ESD放電電流在接地阻抗路徑中形成噪聲電壓Vnoise干擾敏感設(shè)備，一般發(fā)生在接地不良，接地阻抗較大的情況；

◆ ESD放電電流直接注入敏感信號(hào)中，一般發(fā)生在對(duì)pin進(jìn)行ESD注入實(shí)驗(yàn)的情況。

（2）結(jié)構(gòu)地分析：

控制器蓋板接地的結(jié)構(gòu)層次：蓋板緊固彈簧螺釘→金屬螺柱→金屬條→接地固定螺釘→機(jī)殼地。PCB過(guò)孔無(wú)接地銅盤(pán)，與金屬條和機(jī)殼均無(wú)搭接。金屬條與機(jī)殼的搭接僅僅通過(guò)螺紋進(jìn)行，搭接不可靠，阻抗大，結(jié)構(gòu)接地詳見(jiàn)圖5所示。

（a）蓋板接地點(diǎn)實(shí)物圖

（b）蓋板接地結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 蓋板接地結(jié)構(gòu)

（3）干擾路徑與等效機(jī)理電路分析

◆ 當(dāng)蓋板與機(jī)殼地間的接地良好時(shí)，阻抗足夠低，與機(jī)殼形成等電位搭接，無(wú)壓差。

ESD的主要放電路徑為圖6中的①和②，因①的接地物理路徑較近，大部分干擾會(huì)從①路徑中流到大地。流過(guò)路徑①附近的電流形成的干擾場(chǎng)，會(huì)串?dāng)_周圍的敏感信號(hào)或敏感走線。

圖6 ESD放電路徑示意圖

◆ 當(dāng)蓋板與機(jī)殼地間的接地搭接較差時(shí)（搭接阻抗較大），ESD放電電流會(huì)在搭接點(diǎn)處形成噪聲電壓Vnoise。

噪聲電壓通過(guò)蓋板與PCB板件的分布電容，形成干擾電流流過(guò)PCB，使得敏感干信號(hào)受干擾，參見(jiàn)圖7所示。

圖7 接地不良的ESD耦合機(jī)理示意圖

（4）干擾噪聲估算

通過(guò)接地阻抗測(cè)定與接地點(diǎn)變更ESD實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合ESD的干擾機(jī)理，可以確定控制器為ESD放電電流在接地阻抗路徑中形成噪聲電壓Vnoise ，干擾了內(nèi)部敏感信號(hào)。

◆ PCB與結(jié)構(gòu)件間的分布電容估算

PCB板與蓋板間的分布電容可用以下公式進(jìn)行估算[3]：

控制器的PCB尺寸為15cm*40cm，與蓋板距離3cm，與機(jī)殼距離2cm左右。PCB接地參考地層與蓋板間的分布電容約為33pf。

◆ 蓋板與機(jī)殼間搭接處的噪聲電壓估算

6KV接觸放電的放電電流峰值實(shí)測(cè)約為24A左右，接觸阻抗為0.3歐姆，電壓約為7.2V。

注：蓋板與機(jī)殼間的搭接阻抗為萬(wàn)用表測(cè)試結(jié)果，實(shí)際的ESD頻段的搭接阻抗值要大于0.3Ω，本文暫以0.3Ω為例進(jìn)行計(jì)算說(shuō)明。

◆ 流過(guò)背板的電流：

I1=C*2πf*U=33pF*2*3.14*1.2GHz*7.2=0.25A。

注：為方便計(jì)算，ESD頻段擴(kuò)展到1.2GHz。

◆ 流經(jīng)背板PCB參考地平面的噪聲電壓：

Vnoise=I1*Z=0.25A*3mΩ=0.75mV；

注：PCB的鋪地平面阻抗一般為mΩ級(jí)別，結(jié)合背板的過(guò)孔數(shù)量，估算PCB鋪地平面阻抗為3mΩ。

◆ 流經(jīng)背板PCB表層走線的噪聲電壓：

I2= C*2πf*U=3pF*2*3.14*1.2GHz*7.2=0.025A（流過(guò)通訊指示燈走線的電流）

Vnoise=L*di/dt=300nH*0.025A/(0.8ns)=9.4V。

注：背板表層通訊指示燈為最長(zhǎng)走線，長(zhǎng)度為20cm左右，走線寬度為10mil，電感量為300nH左右。指示燈走線與蓋板間的分布電容約為3pf。

3.4.2通訊故障死機(jī)問(wèn)題原因排查

（1）通訊故障死機(jī)原因有二：通訊板受干擾或者CPU板受干擾。

進(jìn)過(guò)排查，定位到是因?yàn)橥ㄓ嵵甘緹糇呔€過(guò)長(zhǎng)（隔斷走線后無(wú)問(wèn)題），導(dǎo)致ESD干擾耦合到背板通訊指示燈走線，噪聲電平達(dá)到9.4V的高頻干擾進(jìn)入CPU板。9.4V的噪聲電壓足以干擾CPU板的敏感信號(hào)（1.2V、3.3V、5V等級(jí)的敏感信號(hào)），可以通過(guò)濾波電容、磁珠、TVS管等方法進(jìn)行抑制。

圖8 通訊指示表層燈走線示意圖

（2）CPU導(dǎo)致死機(jī)原因有二：3.3V電源受干擾或時(shí)鐘受干擾。

通過(guò)前述分析，地平面上的噪聲電壓為0.75mV，不足以干擾3.3V電源。經(jīng)過(guò)排查確認(rèn)ENC28J60的時(shí)鐘受干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)通訊故障而死機(jī)。

3.5整改與驗(yàn)證

因客戶要求不能整改PCB內(nèi)部電路及外觀可見(jiàn)措施，只能從結(jié)構(gòu)接地下手。

◆結(jié)構(gòu)地搭接整改：

針對(duì)蓋板與機(jī)殼間的四個(gè)接地點(diǎn)通過(guò)銅箔加強(qiáng)接地，整改措施如下。

◆實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：實(shí)驗(yàn)采用±7KV等級(jí)無(wú)問(wèn)題。

3.6落地設(shè)計(jì)

最終落地設(shè)計(jì)為背板的表面和底面四周進(jìn)行鋪銅處理，加強(qiáng)蓋板與結(jié)構(gòu)地的搭接。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)問(wèn)題，落地措施參見(jiàn)下圖。

圖9 背板與機(jī)殼間的搭接處理

4.思考與啟示

（1）ESD干擾以共模形式串入PCB線路或通過(guò)空間場(chǎng)耦合干擾敏感信號(hào)，需要解耦分析；

（2）對(duì)于接地點(diǎn)可靠性的排查，可通過(guò)人為改變接地位置進(jìn)行故障問(wèn)題的分析；

（3）ESD抑制的一大手法是接地，要確保放電點(diǎn)與機(jī)殼地搭接的可靠性，保證搭接阻抗在ESD頻段范圍內(nèi)足夠小，不足以形成干擾電壓；

（4）PCB敏感信號(hào)或與敏感信號(hào)相關(guān)的信號(hào)線，避免在表層長(zhǎng)距離走線而引起的干擾，無(wú)法避免時(shí)，注意信號(hào)換板連接器附近的濾波處理。

（5）ESD敏感信號(hào)在設(shè)計(jì)前期需要進(jìn)行ESD干擾評(píng)估，特別是噪聲等級(jí)的評(píng)估，有利于抑制器件的選型，同時(shí)在PCB板進(jìn)行干擾風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避是成本最低，效果最好的方法。

（6）ESD的抑制手段多樣化，除了接地對(duì)ESD干擾進(jìn)行泄放外，還可通過(guò)濾波、屏蔽、瞬態(tài)抑制、隔離、放電敏感距離控制、采用絕緣類材料阻斷放電等等手段進(jìn)行抑制，結(jié)合設(shè)計(jì)需求落地。