實(shí)例分析ESD電磁兼容問(wèn)題

ESD對(duì)于很多電子產(chǎn)品是一個(gè)致命硬傷，如何設(shè)計(jì)好產(chǎn)品的ESD，是需要花很多時(shí)間和精力來(lái)研究的。下面通過(guò)幾個(gè)實(shí)例來(lái)和大家一起分享下。

某智能手表在側(cè)鍵附近打ESD后出現(xiàn)反復(fù)開(kāi)關(guān)機(jī)現(xiàn)象

根據(jù)反復(fù)重啟的時(shí)間判斷，類(lèi)似于長(zhǎng)按Power鍵。檢查Power_On信號(hào)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被持續(xù)拉低，Power_On信號(hào)的原理圖如下：

為了降成本，位置1并沒(méi)有貼TVS管，而是用一個(gè)電容代替，電容的耐壓值是25V。失效的機(jī)器，這個(gè)電容已經(jīng)短路，可以判斷ESD進(jìn)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(shù)量會(huì)增多，但最終還是會(huì)壞。這個(gè)項(xiàng)目不是防水的，密封性做得很差，所以才有問(wèn)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(gè)1nF的電容?？?K電阻+1nF電容來(lái)吸收ESD能量。

另外，在側(cè)鍵的FPC附近，增加了GND露銅區(qū)域，引導(dǎo)ESD先進(jìn)入GND。這也是一種低成本的解決方法，如果ESD能量足夠大，實(shí)測(cè)幾乎可以把1K電阻打壞。

某智能手表在USB接口外殼打ESD造成黑屏死機(jī)問(wèn)題

充電口是Micro-B型USB接口，接觸放電±10KV，會(huì)出現(xiàn)黑屏，死機(jī)，閃屏等現(xiàn)象。

抓死機(jī)Log，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么端倪。

將USB信號(hào)逐個(gè)引出，VBUS，D+，D-都沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，打ID管腳，會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象。打GND，會(huì)很低概率出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象。遂將問(wèn)題定位到ID管腳，和GND上。

仔細(xì)檢查USB接口附件的Layout，問(wèn)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(guān)的敏感信號(hào)。

懸空的ID管腳是知名威脅，靜電積累到一定程度，肯定會(huì)對(duì)周?chē)烹?，二次放電的威力更大?/span>

USB周?chē)挠忻舾行盘?hào)，在打ESD時(shí)，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?chē)鷽](méi)有非常多的過(guò)孔打到內(nèi)層GND，這更加重了GND局部電平的提高，這會(huì)干擾到這些敏感信號(hào)，導(dǎo)致死機(jī)，黑屏，閃屏問(wèn)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(yuǎn)離USB接口。

某智能手表屏幕朝下，打后殼會(huì)黑屏

這是一個(gè)SPI接口的顯示屏，問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)是SPI信號(hào)中，CS線(xiàn)被軟件強(qiáng)制拉低，且一直處于低的狀態(tài)，這樣是不行的。

實(shí)測(cè)將CS線(xiàn)的行為改成符合SPI協(xié)議，只在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)拉低，這個(gè)黑屏的問(wèn)題解決了。

某智能手表在USB的GND PIN上注入接觸-8KV靜電，會(huì)概率關(guān)機(jī)

首先抓取了Log分析，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么線(xiàn)索。

直接拆開(kāi)整機(jī)，在主板的不同地方的GND，注入ESD，統(tǒng)計(jì)關(guān)機(jī)的次數(shù)，得出一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)律，只有在靠近電池BTB的地方，才會(huì)大概率出現(xiàn)，初步判斷是ESD干擾了電池周?chē)男盘?hào)。

電池BTB周?chē)男盘?hào)有D+，D-，VBUS，MIPI，BAT_ID，BAT_THERM等，逐個(gè)在這些信號(hào)上，注入小兩級(jí)的ESD，比如±2KV，有些信號(hào)會(huì)導(dǎo)致PMU損壞，有些會(huì)導(dǎo)致死機(jī)。只有BAT_ID信號(hào)會(huì)出現(xiàn)關(guān)機(jī)的現(xiàn)象。

關(guān)機(jī)有兩種可能，一是內(nèi)部軟件流程關(guān)機(jī)，二是電池突然掉電。尤其是第二種，往往很容易忽略。因?yàn)槟承┣闆r下，ESD注入兩槍?zhuān)⒓淳统霈F(xiàn)了關(guān)機(jī)現(xiàn)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(hù)板保護(hù)機(jī)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(jīng)過(guò)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(xiàn)，連接到程控電源上，再打ESD的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)就不會(huì)關(guān)機(jī)了。這進(jìn)一步說(shuō)明，在注入ESD時(shí)，是電池本身沒(méi)有輸出了。

電池保護(hù)板的原理圖如下：

在圖中GND上注入+8KV，沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)橛疫叺腡VS吸收了大部分能量，由于正向?qū)?，鉗位電壓較低（小于4.4V），電池保護(hù)板沒(méi)有觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。但是如果注入-8KV，TVS管開(kāi)始反向鉗位，瞬間的鉗位電壓較高（大于4.4V），超過(guò)電池起保護(hù)電壓，電池觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，MOS管U2斷開(kāi)，導(dǎo)致關(guān)機(jī)。下圖是TVS管的鉗位特性，也能佐證這個(gè)結(jié)論。

注意電池保護(hù)板的保護(hù)IC，是判斷C1兩端的電壓，來(lái)決定是否起保護(hù)的。所以要解決這個(gè)問(wèn)題，需要增大C1的容值。實(shí)測(cè)將C1增大到1uF，關(guān)機(jī)的概率明顯降低了。

降低了，但沒(méi)有徹底解決問(wèn)題，肯定還有其他原因。這個(gè)原因是先猜出來(lái)，然后試驗(yàn)驗(yàn)證的。

上文提到只有BAT_ID信號(hào)會(huì)出現(xiàn)關(guān)機(jī)的現(xiàn)象。所以猜測(cè)靜電耦合到了ID管腳，進(jìn)入PMU導(dǎo)致關(guān)機(jī)。

下面是這次電池保護(hù)板的走線(xiàn)，ID的走線(xiàn)與GND有較長(zhǎng)的耦合長(zhǎng)度，GND上的瞬間能量能很快耦合到這根線(xiàn)上，最終直接進(jìn)入到PMU。

雖然主板上ID走線(xiàn)也跟GND有很長(zhǎng)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(huì)耦合很多能量到ID線(xiàn)上。反而是電池FPC上的GND電平跳動(dòng)最大，ID線(xiàn)在FPC上耦合的能量更多。

FPC改版成如下樣式，ID和GND基本沒(méi)有重疊區(qū)域，能量也不會(huì)耦合到ID管腳上，再也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)關(guān)機(jī)問(wèn)題。

屏幕朝下，ESD接觸放電后殼，TP失效

經(jīng)檢查，確定是TP IC被打壞。沒(méi)有仔細(xì)分析IC損壞的原因，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)TP FPC背后的雙面導(dǎo)電膠太弱，根本沒(méi)有粘到GND上。TP沒(méi)有很好接地，導(dǎo)致了這個(gè)問(wèn)題。

只要TP接地良好，就肯定不會(huì)出現(xiàn)TO IC失效問(wèn)題。