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實例分析ESD電磁兼容問題

日期：2024-05-10 04:58

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摘要： 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...

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*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?？?K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。

某智能手表在USB接口外殼打ESD造成黑屏死機問題

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**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，*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*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。

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