某款智能環境控制器接觸靜電放電出現黑屏、花屏問題分析調試

圖1：產品形態圖

01、問題現象描述

某公司生產制造的智能環境控制器，依據GB/T17626.2標準，進行接觸放電±15KV測試，當對溫度金屬探頭進行接觸±15KV測試放電測試時，出現黑屏、花屏無法恢復，按復位鍵沒有作用，需要斷電重啟，方可以恢復，不符合A等級判定標準。試驗結果如表：

客戶調試一段時間后，無法找到有效對策，付費委托我司進行整改，要求整改周期為3周，客戶產品周期非常急迫。

02、問題現象確認

對客戶寄送樣機進行靜電放電摸底測試，結果同客戶反饋的問題現象相同，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；金屬探頭的內部是熱敏電阻，熱敏電阻通過信號采集，轉換為AD信號輸入到主芯片，由芯片判斷后調整控制環境溫度。    溫度采集、AD轉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，即整個系統是浮地的方式。

圖2：產品內部布局圖與PCB Layout圖

圖3：產品電路原理框圖

03、問題現象分析    

圖4：溫度金屬探頭電路連接簡圖

根據溫度金屬探頭連接圖，嘗試進行如下試驗來協助判斷靜電放電干擾耦合路徑：將溫度金屬探頭內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，不良現象很快重現，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或者大地，且PE地與系統GND之間無物理連接，不存在傳導耦合的路徑。靜電放電干擾不是通過傳導路徑耦合干擾系統內部敏感電路的，判斷是通過空間輻射耦合的方式干擾內部敏感電路，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地泄放構成瞬態電流環路，磁場輻射則很強，綜合判斷是空間磁場輻射耦合。

初步判定為靜電放電瞬態電流磁場輻射耦合進入內部敏感電路，根據磁場輻射耦合的機理，需要分析尋找到系統內部的敏感電流環路，并增加抑制對策方可解決：

根據磁場耦合機理可知，構成磁場耦合必須有環路，環路阻抗相對較低，否則就無法形成磁場耦合。環路面積越大耦合能力越強，反之，環路面積越小耦合能力相對較弱。功率信號的環路面積、高速信號的環路面積控制很容易引起工程師重視，在PCB設計中進行有效管控，而控制信號的回流路徑，即控制信號環路則很容易被工程師忽略；恰恰控制信號構成的環路面積極容易感應靜電放電干擾，導致系統工作異常。對PCB Layout圖進行深入分析，發現地平面分割非常嚴重，且模塊與模塊之間或采用單點接地，或因地分割導致信號環路面積失控，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重

04、問題分析與調試過程

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象出現更加頻繁，ESD問題現象變得更加嚴重，說明增加電容后環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（如圖所示用導電銅箔橋接），靜電放電測試問題出現概率降低非常明顯。    

          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試
• 根據試驗驗證結果，確認溫度采樣模塊電跨分割，造成信號環路面積較大，靜電放電產生的磁場容易在環路中感應噪聲，同理其它的信號是否也存在相同的情況，再次對PCB Layout進行深入分析。
• RELAY1-15外部端口轉換電路因PCB Layout分地設計不合理，導致信號的環路面積也很大，極易耦合靜電放電干擾。
• Sensors檢測轉換電路，輸出到主控制芯片ADC信號的回流路徑，因PCBLayout分地設計不合理，導致信號環路面積非常大，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，靜電放電測試結果PASS，符合客戶靜電放電測試要求。

05、問題產生的根因分析

 經過深入分析驗證，確認問題產生的根因如下：

• 因電路模塊設計時，考慮不同模塊間信號的串擾問題，模塊間進行分地并進行單點接地設計。
• PCB Layout設計時，對模塊間分地后的信號回流路徑設計考量不嚴謹，造成信號的參考平面多次跨分割，使信號環路面積變大，感應靜電放電干擾。
• 具體體現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性，以保證信號回流路徑的完整性，縮小其環路面積，減小在靜電放電瞬間產生的磁場耦合。

圖11：問題解決方案

【案例思考與總結】

靜電放電噪聲耦合的方式主要是：傳導耦合與輻射耦合，輻射耦合主要以磁場耦合、 電場耦合為主要形式。電場耦合發生的主要條件是：靜電放電高頻電流成分產生的高頻磁場、敏感信號的高頻環路，兩者缺一不可。根據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，若信號回流路徑跨分割后，環路面積會隨之增大；信號環路面積大從EMI角度看其空間輻射更強，從EMS角度看則更容易耦合外部噪聲干擾（雷擊浪涌、EFT、ESD、RS）。    

案例給予的經驗是不僅需要關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。