ESD對于很多電子產品是一個致命硬傷,如何設計好產品的ESD,是需要花很多時間和精力來研究的。下面通過幾個實例來和大家一起分享下。
某智能手表在側鍵附近打ESD后出現反復開關機現象
根據反復重啟的時間判斷,類似于長按Power鍵。檢查Power_On信號,發現已經被持續拉低,Power_On信號的原理圖如下:
為了降成本,位置1并沒有貼TVS管,而是用一個電容代替,電容的耐壓值是25V。失效的機器,這個電容已經短路,可以判斷ESD進入殼體,直接打壞了位置1的電容。
如果把位置1的電容耐壓提高到50V,能抗的ESD槍數量會增多,但最終還是會壞。這個項目不是防水的,密封性做得很差,所以才有問題。
【解決方法】
把位置1的電容換成TVS管,或者位置1不要貼任何東西,在位置2放一個1nF的電容。靠1K電阻+1nF電容來吸收ESD能量。
另外,在側鍵的FPC附近,增加了GND露銅區域,引導ESD先進入GND。這也是一種低成本的解決方法,如果ESD能量足夠大,實測幾乎可以把1K電阻打壞。
充電口是Micro-B型USB接口,接觸放電±10KV,會出現黑屏,死機,閃屏等現象。
抓死機Log,沒有發現什么端倪。
將USB信號逐個引出,VBUS,D+,D-都沒有出現問題,打ID管腳,會出現類似現象。打GND,會很低概率出現類似現象。遂將問題定位到ID管腳,和GND上。
仔細檢查USB接口附件的Layout,問題如下:
1、USB_ID管腳是懸空的。
2、在L3和L6層,靠近USB接口,有與屏相關的敏感信號。
懸空的ID管腳是知名威脅,靜電積累到一定程度,肯定會對周圍放電,二次放電的威力更大。
USB周圍的有敏感信號,在打ESD時,附近的GND電平瞬間局部抬高,尤其是看到USB接口的屏蔽殼跟表層相連,周圍沒有非常多的過孔打到內層GND,這更加重了GND局部電平的提高,這會干擾到這些敏感信號,導致死機,黑屏,閃屏問題。
【解決方法】
USB的固定PIN以及GND PIN,只接主GND,不要每一層都接GND。MIPI,LCD_TE,LCD_RST遠離USB接口。
某智能手表屏幕朝下,打后殼會黑屏
這是一個SPI接口的顯示屏,問題比較簡單,一個偶然的機會發現是SPI信號中,CS線被軟件強制拉低,且一直處于低的狀態,這樣是不行的。
實測將CS線的行為改成符合SPI協議,只在傳輸數據時拉低,這個黑屏的問題解決了。
某智能手表在USB的GND PIN上注入接觸-8KV靜電,會概率關機
首先抓取了Log分析,沒有發現什么線索。
直接拆開整機,在主板的不同地方的GND,注入ESD,統計關機的次數,得出一個簡單的規律,只有在靠近電池BTB的地方,才會大概率出現,初步判斷是ESD干擾了電池周圍的信號。
電池BTB周圍的信號有D+,D-,VBUS,MIPI,BAT_ID,BAT_THERM等,逐個在這些信號上,注入小兩級的ESD,比如±2KV,有些信號會導致PMU損壞,有些會導致死機。只有BAT_ID信號會出現關機的現象。
關機有兩種可能,一是內部軟件流程關機,二是電池突然掉電。尤其是第二種,往往很容易忽略。因為某些情況下,ESD注入兩槍,立即就出現了關機現象,這很像是電池掉電了。
電池掉電有兩種可能,一是電池保護板保護機制生效,切斷了供電。二是Vbat到PMU的通路被打斷。排查了主板上的器件,Vbat的通路經過的都是一些模擬器件,可能性比較小。
我們直接從主板VBAT飛線,連接到程控電源上,再打ESD的時候,發現就不會關機了。這進一步說明,在注入ESD時,是電池本身沒有輸出了。
電池保護板的原理圖如下:
在圖中GND上注入+8KV,沒有問題,因為右邊的TVS吸收了大部分能量,由于正向導通,鉗位電壓較低(小于4.4V),電池保護板沒有觸發保護機制。但是如果注入-8KV,TVS管開始反向鉗位,瞬間的鉗位電壓較高(大于4.4V),超過電池起保護電壓,電池觸發保護機制,MOS管U2斷開,導致關機。下圖是TVS管的鉗位特性,也能佐證這個結論。
注意電池保護板的保護IC,是判斷C1兩端的電壓,來決定是否起保護的。所以要解決這個問題,需要增大C1的容值。實測將C1增大到1uF,關機的概率明顯降低了。
降低了,但沒有徹底解決問題,肯定還有其他原因。這個原因是先猜出來,然后試驗驗證的。
上文提到只有BAT_ID信號會出現關機的現象。所以猜測靜電耦合到了ID管腳,進入PMU導致關機。
下面是這次電池保護板的走線,ID的走線與GND有較長的耦合長度,GND上的瞬間能量能很快耦合到這根線上,最終直接進入到PMU。
雖然主板上ID走線也跟GND有很長的耦合距離,但是主板上的GND與Vbat之間有TVS鉗位,GND的電壓不至于跳變太厲害,也不會耦合很多能量到ID線上。反而是電池FPC上的GND電平跳動最大,ID線在FPC上耦合的能量更多。
FPC改版成如下樣式,ID和GND基本沒有重疊區域,能量也不會耦合到ID管腳上,再也沒有出現過關機問題。
屏幕朝下,ESD接觸放電后殼,TP失效
經檢查,確定是TP IC被打壞。沒有仔細分析IC損壞的原因,因為發現TP FPC背后的雙面導電膠太弱,根本沒有粘到GND上。TP沒有很好接地,導致了這個問題。
只要TP接地良好,就肯定不會出現TO IC失效問題。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:通過幾個實例分析如何解電磁兼容ESD問題?
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