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某款智能環(huán)境控制器接觸靜電放電出現(xiàn)黑屏、花屏問(wèn)題分析調(diào)試

 

 

圖1：產(chǎn)品形態(tài)圖

 

1、問(wèn)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(cè)試，當(dāng)對(duì)溫度金屬探頭進(jìn)行接觸±15KV測(cè)試放電測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)黑屏、花屏無(wú)法恢復(fù)，按復(fù)位鍵沒(méi)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：

 

客戶調(diào)試一段時(shí)間后，無(wú)法找到有效對(duì)策，付費(fèi)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。

 

2、問(wèn)題現(xiàn)象確認(rèn)

 

對(duì)客戶寄送樣機(jī)進(jìn)行靜電放電摸底測(cè)試，結(jié)果同客戶反饋的問(wèn)題現(xiàn)象相同，排除測(cè)試場(chǎng)地、測(cè)試儀器差異的可能性。靜電放電不通過(guò)的測(cè)試點(diǎn)是溫度金屬探頭，其它測(cè)試點(diǎn)均測(cè)試通過(guò)。

    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(guò)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。

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

 

3、問(wèn)題現(xiàn)象分析    

 

圖4：溫度金屬探頭電路連接簡(jiǎn)圖

 

根據(jù)溫度金屬探頭連接圖，嘗試進(jìn)行如下試驗(yàn)來(lái)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(duì)溫度金屬探頭接觸15KV放電，不良現(xiàn)象很快重現(xiàn)，無(wú)任何改善效果，判斷靜電放電干擾不是從溫度探頭的信號(hào)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(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(wú)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(guò)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(guò)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(chǎng)、電場(chǎng)、電磁場(chǎng)。

溫度金屬探頭的外殼直接接EARTH，即PE地，與PE地相對(duì)等電位，所以電場(chǎng)輻射相對(duì)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(chǎng)輻射則很強(qiáng)，綜合判斷是空間磁場(chǎng)輻射耦合。

初步判定為靜電放電瞬態(tài)電流磁場(chǎng)輻射耦合進(jìn)入內(nèi)部敏感電路，根據(jù)磁場(chǎng)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(duì)策方可解決：

 

根據(jù)磁場(chǎng)耦合機(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(wú)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，即控制信號(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。

圖5：PCB Layout造成參考地平面跨分隔嚴(yán)重

 

4、問(wèn)題分析與調(diào)試過(guò)程

 

圖6：溫度采樣信號(hào)PCB Layout圖

 

溫度采樣ADC芯片輸出到主控芯片信號(hào)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(cè)試時(shí)問(wèn)題現(xiàn)象出現(xiàn)更加頻繁，ESD問(wèn)題現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重，說(shuō)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(hào)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(cè)試問(wèn)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(hào)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(hào)調(diào)試

 

根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，確認(rèn)溫度采樣模塊電跨分割，造成信號(hào)環(huán)路面積較大，

靜電放電產(chǎn)生的磁場(chǎng)容易在環(huán)路中感應(yīng)噪聲，同理其它的信號(hào)是否也存在

相同的情況，再次對(duì)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(jì)不合理，導(dǎo)致信號(hào)的

環(huán)路面積也很大，極易耦合靜電放電干擾。

Sensors檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路，輸出到主控制芯片ADC信號(hào)的回流路徑，因PCB

Layout分地設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致信號(hào)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(hào)參考保持完整（銅箔橋接）

 

圖9：Sensors電路輸出到主控芯片信號(hào)參考保持完整（銅箔橋接）

 

【試驗(yàn)結(jié)論】：將外部模塊電路到主控芯片之間信號(hào)的參考地平面保持完成后，靜電放電測(cè)試結(jié)果PASS，符合客戶靜電放電測(cè)試要求。

 

5、問(wèn)題產(chǎn)生的根因分析

 

 經(jīng)過(guò)深入分析驗(yàn)證，確認(rèn)問(wèn)題產(chǎn)生的根因如下：

 

因電路模塊設(shè)計(jì)時(shí)，考慮不同模塊間信號(hào)的串?dāng)_問(wèn)題，模塊間進(jìn)行分地并進(jìn)行單點(diǎn)接地設(shè)計(jì)。

PCB Layout設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)模塊間分地后的信號(hào)回流路徑設(shè)計(jì)考量不嚴(yán)謹(jǐn)，造成

信號(hào)的參考平面多次跨分割，使信號(hào)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(cè)采樣電路輸出到主控芯片信號(hào)的參考完整性，Relay1-15

外部端口轉(zhuǎn)換電路信號(hào)參考平面的完整性，Sensor檢測(cè)電路輸出到主控芯

信號(hào)參考完整性。

圖10：靜電放電干擾耦合機(jī)理圖示

 

6、問(wèn)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(hào)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(chǎng)耦合。

圖11：?jiǎn)栴}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(chǎng)耦合、 電場(chǎng)耦合為主要形式。電場(chǎng)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(chǎng)、敏感信號(hào)的高頻環(huán)路，兩者缺一不可。根據(jù)高速信號(hào)回流路徑的特性可知，其回流路徑是貼近信號(hào)布線下方，或者信號(hào)兩側(cè)，若信號(hào)回流路徑跨分割后，環(huán)路面積會(huì)隨之增大；信號(hào)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(yàn)是不僅需要關(guān)注高速高頻信號(hào)參考的完整性，同時(shí)需要考慮控制信號(hào)參考的完整性；而實(shí)際中控制信號(hào)的參考的完整性很容易被工程師忽略。