實(shí)例分析ESD電磁兼容問(wèn)題

ESD對于很多電子產(chǎn)品是一個(gè)致命硬傷，如何設計好產(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。

某智能手表在側鍵附近打ESD后出現反復開(kāi)關(guān)機現象

根據反復重啟的時(shí)間判斷，類(lèi)似于長(cháng)按Power鍵。檢查Power_On信號，發(fā)現已經(jīng)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(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槍數量會(huì )增多，但最終還是會(huì )壞。這個(gè)項目不是防水的，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，在側鍵的FPC附近，增加了GND露銅區域，引導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造成黑屏死機問(wèn)題

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

抓死機Log，沒(méi)有發(fā)現什么端倪。

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

仔細檢查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。

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

USB周?chē)挠忻舾行盘?，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，導致死機，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)偶然的機會(huì )發(fā)現是SPI信號中，CS線(xiàn)被軟件強制拉低，且一直處于低的狀態(tài)，這樣是不行的。

實(shí)測將CS線(xiàn)的行為改成符合SPI協(xié)議，只在傳輸數據時(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

首先抓取了Log分析，沒(méi)有發(fā)現什么線(xiàn)索。

直接拆開(kāi)整機，在主板的不同地方的GND，注入ESD，統計關(guān)機的次數，得出一個(gè)簡(jiǎn)單的規律，只有在靠近電池BTB的地方，才會(huì )大概率出現，初步判斷是ESD干擾了電池周?chē)男盘枴?/span>

電池BTB周?chē)男盘栍蠨+，D-，VBUS，MIPI，BAT_ID，BAT_THERM等，逐個(gè)在這些信號上，注入小兩級的ESD，比如±2KV，有些信號會(huì )導致PMU損壞，有些會(huì )導致死機。只有BAT_ID信號會(huì )出現關(guān)機的現象。

關(guān)機有兩種可能，一是內部軟件流程關(guān)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?zhuān)⒓淳统霈F了關(guān)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(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)現就不會(huì )關(guān)機了。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。

電池保護板的原理圖如下：

在圖中GND上注入+8KV，沒(méi)有問(wèn)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(méi)有觸發(fā)保護機制。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)電池起保護電壓，電池觸發(fā)保護機制，MOS管U2斷開(kāi)，導致關(guān)機。下圖是TVS管的鉗位特性，也能佐證這個(gè)結論。

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

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)，然后試驗驗證的。

上文提到只有BAT_ID信號會(huì )出現關(guān)機的現象。所以猜測靜電耦合到了ID管腳，進(jìn)入PMU導致關(guān)機。

下面是這次電池保護板的走線(xiàn)，ID的走線(xiàn)與GND有較長(cháng)的耦合長(cháng)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(cháng)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)有重疊區域，能量也不會(huì )耦合到ID管腳上，再也沒(méi)有出現過(guò)關(guān)機問(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)有仔細分析IC損壞的原因，因為發(fā)現TP FPC背后的雙面導電膠太弱，根本沒(méi)有粘到GND上。TP沒(méi)有很好接地，導致了這個(gè)問(wèn)題。

只要TP接地良好，就肯定不會(huì )出現TO IC失效問(wèn)題。