靜電放電問題典型案例分析

這期我?guī)Т蠹依^續(xù)進(jìn)行靜電放電問題典型案例分析，前篇文章分別介紹了復(fù)位信號(hào)、DC-DC芯片設(shè)計(jì)問題引發(fā)的靜電放電問題；這篇文章將介紹軟件設(shè)計(jì)、PCB環(huán)路設(shè)計(jì)引發(fā)的靜電放電問題；話不多說，還是通過兩個(gè)案例展現(xiàn)給大家。

一、環(huán)境溫度控制器接觸放電±15KV測(cè)試出現(xiàn)黑屏等問題案例分析

產(chǎn)品形態(tài)圖

1. 問題現(xiàn)象描述

某豬舍智能環(huán)境控制器產(chǎn)品依據(jù)GB/T17626.2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行接觸放電±15KV測(cè)試時(shí)，當(dāng)對(duì)溫度探頭的金屬外殼進(jìn)行±15KV接觸放電測(cè)測(cè)試時(shí)，顯示屏出現(xiàn)黑屏、花屏等現(xiàn)象且無法自動(dòng)恢復(fù)，按復(fù)位鍵沒有作用，需要斷電重啟，方可以恢復(fù)，不符合A等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)結(jié)果如表：

2. 問題現(xiàn)象分析

產(chǎn)品原理框圖

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行±15KV接觸放電摸底測(cè)試，其問題現(xiàn)象同反饋相同，排除測(cè)試場(chǎng)地、測(cè)試儀器差異的可能性。靜電放電測(cè)試不通過的測(cè)試點(diǎn)是溫度金屬探頭，其它測(cè)試點(diǎn)均可測(cè)試通過。

溫度金屬探頭外殼是直接連接在EARTH，EARTH是直接連接到PE地；金屬探頭的內(nèi)部是熱敏電阻，熱敏電阻通過信號(hào)采集轉(zhuǎn)換為AD信號(hào)輸入到主芯片，由芯片判斷后調(diào)整控制環(huán)境溫度。溫度采集、AD轉(zhuǎn)換電路與主控芯片之間采用單點(diǎn)接地，與溫度金屬探頭外殼的PE地完全隔離，即整個(gè)系統(tǒng)是浮地的方式。

3. 問題分析驗(yàn)證過程

3.1 根據(jù)溫度金屬探頭連接圖，嘗試從如下試驗(yàn)協(xié)助判斷靜電干擾路徑：

將溫度探頭內(nèi)部熱敏電阻連接的電路靠近板端斷開，只保留溫度探頭的金屬外殼連接到EARTH線，對(duì)溫度金屬探頭接觸15KV放電，不良現(xiàn)象很快重現(xiàn)，對(duì)策無任何的改善效果，判斷靜電放電干擾不是從信號(hào)路徑耦合干擾內(nèi)部電路的。

溫度探頭的金屬外殼是直接接PE地，對(duì)PE地直接接觸放電15KV，原則上靜電電流很快泄放到電網(wǎng)或者大地，且PE地與系統(tǒng)GND之間無物理連接，不存在傳導(dǎo)耦合的路徑。

通過排除試驗(yàn)確認(rèn)靜電放電干擾不是通過傳導(dǎo)耦合的路徑干擾系統(tǒng)內(nèi)部敏感電路，判斷是通過空間輻射的方式干擾內(nèi)部敏感電路，空間輻射方式主要有磁場(chǎng)、電場(chǎng)、電磁場(chǎng)。

3.2 初步判定為靜電放電電流磁場(chǎng)輻射，根據(jù)磁場(chǎng)耦合的機(jī)理，需要分析尋找到系統(tǒng)內(nèi)部的敏感電流環(huán)路，并增加抑制對(duì)策方可解決

根據(jù)磁場(chǎng)耦合的機(jī)理可知，構(gòu)成磁場(chǎng)耦合必須有環(huán)路，環(huán)路阻抗相對(duì)較低，否則就無法形成磁場(chǎng)耦合。環(huán)路面積越大耦合能力越強(qiáng)，反之環(huán)路面積越小耦合能力相對(duì)較弱。

功率信號(hào)的環(huán)路面積、高速信號(hào)的環(huán)路面積控制很容易引起工程師重視，在PCB設(shè)計(jì)中進(jìn)行有效管控，而控制信號(hào)的回流路徑，即信號(hào)環(huán)路則很容易被工程師忽略；恰恰控制信號(hào)構(gòu)成的環(huán)路面積極容易感應(yīng)靜電放電干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)工作異常。

對(duì)PCB Layout圖進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)地平面分割非常嚴(yán)重，且模塊與模塊之間或采用單點(diǎn)接地，或因地分割導(dǎo)致信號(hào)環(huán)路面積失控，都為靜電放電干擾耦合提供了條件。

3.3 PCB Layout設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)出現(xiàn)顯示花屏、黑屏現(xiàn)象，而不是溫度采集信息錯(cuò)誤，則說明主控MCU芯片受到干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常，顯示花屏、黑屏、宕機(jī)現(xiàn)象。

靜電放電干擾是通過空間耦合的方式進(jìn)入主控芯片，主要與信號(hào)環(huán)路面積、PCB布線長(zhǎng)度高度相關(guān)，需要重點(diǎn)排查PCB Layout設(shè)計(jì)。

主控芯片與各個(gè)模塊電路互連時(shí)，信號(hào)從遠(yuǎn)端到接受端再通過參考地平面返回到遠(yuǎn)端構(gòu)成的信號(hào)環(huán)路面積越小，耦合外部靜電放電干擾的能力就越弱，反之則越強(qiáng)。地平面無規(guī)劃性的分割，是很容易噪聲信號(hào)回流路徑的失控，而引發(fā)信號(hào)環(huán)路面積的失控。

主控板PCB Layout圖

3.4 溫度采樣電路模塊信號(hào)環(huán)路面積縮小試驗(yàn)

沿著溫度采樣電路信號(hào)傳輸軌跡，將其鄰層參考地平面保持完整，達(dá)到信號(hào)環(huán)路面積最小化的規(guī)范要求。

具體操作是使用金屬銅箔，在信號(hào)軌跡下方將分割的參考地平面連接起來，構(gòu)成相對(duì)完整的參考地平面，下圖紅色方框處底層使用銅箔連接起來。

溫度采樣電路信號(hào)軌跡參考地平面完整性措施

審核編輯：湯梓紅