某款智能環(huán)境控制器接觸靜電放電出現(xiàn)黑屏、花屏問題分析調(diào)試
圖1：產(chǎn)品形態(tài)圖
01、問題現(xiàn)象描述
某公司生產(chǎn)制造的智能環(huán)境控制器，依據(jù)GB/T17626.2標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行接觸放電±15KV測試，當(dāng)對溫度金屬探頭進(jìn)行接觸±15KV測試放電測試時，出現(xiàn)黑屏、花屏無法恢復(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等級判定標(biāo)準(zhǔn)。試驗結(jié)果如表：
客戶調(diào)試一段時間后，無法找到有效對策，付費委托我司進(jìn)行整改，要求整改周期為3周，客戶產(chǎn)品周期非常急迫。
02、問題現(xiàn)象確認(rèn)
對客戶寄送樣機(jī)進(jìn)行靜電放電摸底測試，結(jié)果同客戶反饋的問題現(xiàn)象相同，排除測試場地、測試儀器差異的可能性。靜電放電不通過的測試點是溫度金屬探頭，其它測試點均測試通過。 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，熱敏電阻通過信號采集，轉(zhuǎn)換為AD信號輸入到主芯片，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接地，與溫度金屬探頭外殼的PE地完全隔離，即整個系統(tǒng)是浮地的方式。
圖2：產(chǎn)品內(nèi)部布局圖與PCB Layout圖
圖3：產(chǎn)品電路原理框圖
03、問題現(xiàn)象分析
圖4：溫度金屬探頭電路連接簡圖
根據(jù)溫度金屬探頭連接圖，嘗試進(jìn)行如下試驗來協(xié)助判斷靜電放電干擾耦合路徑：將溫度金屬探頭內(nèi)部熱敏電阻的電路連接斷開，只保留溫度金屬探頭外殼連接到EARTH的連線，對溫度金屬探頭接觸15KV放電，不良現(xiàn)象很快重現(xiàn)，無任何改善效果，判斷靜電放電干擾不是從溫度探頭的信號路徑耦合到內(nèi)部電路的。溫度金屬探頭外殼是直接接PE地，對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。靜電放電干擾不是通過傳導(dǎo)路徑耦合干擾系統(tǒng)內(nèi)部敏感電路的，判斷是通過空間輻射耦合的方式干擾內(nèi)部敏感電路，空間輻射方式主要有磁場、電場、電磁場。溫度金屬探頭的外殼直接接EARTH，即PE地，與PE地相對等電位，所以電場輻射相對較小，靜電高頻電流從PE地泄放構(gòu)成瞬態(tài)電流環(huán)路，磁場輻射則很強(qiáng)，綜合判斷是空間磁場輻射耦合。
初步判定為靜電放電瞬態(tài)電流磁場輻射耦合進(jìn)入內(nèi)部敏感電路，根據(jù)磁場輻射耦合的機(jī)理，需要分析尋找到系統(tǒng)內(nèi)部的敏感電流環(huán)路，并增加抑制對策方可解決：
根據(jù)磁場耦合機(jī)理可知，構(gòu)成磁場耦合必須有環(huán)路，環(huán)路阻抗相對較低，否則就無法形成磁場耦合。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較弱。功率信號的環(huán)路面積、高速信號的環(huán)路面積控制很容易引起工程師重視，在PCB設(shè)計中進(jìn)行有效管控，而控制信號的回流路徑，即控制信號環(huán)路則很容易被工程師忽略；恰恰控制信號構(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接地，或因地分割導(dǎo)致信號環(huán)路面積失控，都為靜電放電干擾耦合提供了條件。
圖5：PCB Layout造成參考地平面跨分隔嚴(yán)重
04、問題分析與調(diào)試過程
圖6：溫度采樣信號PCB Layout圖
- 溫度采樣ADC芯片輸出到主控芯片信號調(diào)試
在溫度采樣ADC芯片輸出到控制芯片引腳處增加高頻電容，靜電放電測試時問題現(xiàn)象出現(xiàn)更加頻繁，ESD問題現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重，說明增加電容后環(huán)路面積變的更加不可控，沿著ADC輸出信號布線軌跡，使其底層參考地平面保持完整（如圖所示用導(dǎo)電銅箔橋接），靜電放電測試問題出現(xiàn)概率降低非常明顯。
圖7：溫度采樣ADC芯片輸出到主控芯片信號參考保持完整（銅箔橋接）
- 主控芯片與其它模塊電路連接信號調(diào)試
- 根據(jù)試驗驗證結(jié)果，確認(rèn)溫度采樣模塊電跨分割，造成信號環(huán)路面積較大，靜電放電產(chǎn)生的磁場容易在環(huán)路中感應(yīng)噪聲，同理其它的信號是否也存在相同的情況，再次對PCB Layout進(jìn)行深入分析。
- RELAY1-15外部端口轉(zhuǎn)換電路因PCB Layout分地設(shè)計不合理，導(dǎo)致信號的環(huán)路面積也很大，極易耦合靜電放電干擾。
- Sensors檢測轉(zhuǎn)換電路，輸出到主控制芯片ADC信號的回流路徑，因PCBLayout分地設(shè)計不合理，導(dǎo)致信號環(huán)路面積非常大，極易耦合靜電放電干擾。
圖8：RELAY1-15外部電路輸出到主控芯片信號參考保持完整（銅箔橋接）
圖9：Sensors電路輸出到主控芯片信號參考保持完整（銅箔橋接）
【試驗結(jié)論】：將外部模塊電路到主控芯片之間信號的參考地平面保持完成后，靜電放電測試結(jié)果PASS，符合客戶靜電放電測試要求。
05、問題產(chǎn)生的根因分析
經(jīng)過深入分析驗證，確認(rèn)問題產(chǎn)生的根因如下：
- 因電路模塊設(shè)計時，考慮不同模塊間信號的串?dāng)_問題，模塊間進(jìn)行分地并進(jìn)行單點接地設(shè)計。
- PCB Layout設(shè)計時，對模塊間分地后的信號回流路徑設(shè)計考量不嚴(yán)謹(jǐn)，造成信號的參考平面多次跨分割，使信號環(huán)路面積變大，感應(yīng)靜電放電干擾。
- 具體體現(xiàn)溫度檢測采樣電路輸出到主控芯片信號的參考完整性，Relay1-15外部端口轉(zhuǎn)換電路信號參考平面的完整性，Sensor檢測電路輸出到主控芯信號參考完整性。
圖10：靜電放電干擾耦合機(jī)理圖示
06、問題解決方案
修改PCB Layout，使紅色方框圖示處參考地平面保持連續(xù)性，以保證信號回流路徑的完整性，縮小其環(huán)路面積，減小在靜電放電瞬間產(chǎn)生的磁場耦合。
圖11：問題解決方案
【案例思考與總結(jié)】
靜電放電噪聲耦合的方式主要是：傳導(dǎo)耦合與輻射耦合，輻射耦合主要以磁場耦合、 電場耦合為主要形式。電場耦合發(fā)生的主要條件是：靜電放電高頻電流成分產(chǎn)生的高頻磁場、敏感信號的高頻環(huán)路，兩者缺一不可。根據(jù)高速信號回流路徑的特性可知，其回流路徑是貼近信號布線下方，或者信號兩側(cè)，若信號回流路徑跨分割后，環(huán)路面積會隨之增大；信號環(huán)路面積大從EMI角度看其空間輻射更強(qiáng)，從EMS角度看則更容易耦合外部噪聲干擾（雷擊浪涌、EFT、ESD、RS）。
案例給予的經(jīng)驗是不僅需要關(guān)注高速高頻信號參考的完整性，同時需要考慮控制信號參考的完整性；而實際中控制信號的參考的完整性很容易被工程師忽略。