整理了几个产品上遇到的ESD问题,每个问题都从背景,现象,解决方案,知识点进行全面分析,让大家充分理解ESD问题,并应用到产品开发上,提高产品竞争力,助大家早日为公司创造更多价值,早日升职加薪! 静电放电ESD(Electro-Static Discharge)是EMC测试常见的项目之一,容易造成电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。现代半导体器件的规模越来越大,工作电压越来越低,导致了半导体器件对外界电磁骚扰敏感程度也大大提高。ESD对于电路引起的干扰、对元器件、CMOS电路及接口电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视,本文通过几篇实际案例进行分析,希望对大家解决静电问题有所帮助。 案例一 对某玩具产品做接触或空气放电测试时,产品都会死机 【现象描述】 要求静电测试标准:接触±6KV,空气±8KV,但产品自身抗静电能力特别差,对产品做±2KV的接触或空气放电测试时,产品都会死机。产品结构具体如下: 【问题排查】 该产品有三块PCB,其中USB小板和开机按键板是通过排线与主板连接,具体示意图如下:
【静电导致产品死机原理分析】 静电放电电流波形上升时间短,高次谐波丰富,所以静电放电具有很宽的频谱。对EUT的USB端口进行静电放电测试时,测试时产生的共模瞬态干扰电流会流过互连线缆的地线,由于互连电缆中地线的阻抗,必然会在互连电缆上产生共模压降,当互连电缆中地线两端的压降ΔV0Z超过了互连电缆两端电路噪声承受能力就会产生错误,其中电缆中的开机和复位信号都容易受影响而导致产品死机或重启。 【处理措施】 1、去除不需要的功能信号D+、D-,在复位信号线增加104PF电容,小板双面做敷铜处理同时在排线上增加磁环; 2、开机按键小板双面敷铜,并且采用双端接地的屏蔽排线。 【主要破坏机制】 1、由于静电放电电流产生热量导致设备的热失效; 2、由于ESD 感应出高的电压导致绝缘击穿。除容易造成电路损害外,ESD 也会对电子电路造成干扰。 两种破坏可能在一个设备中同时发生。例如,绝缘击穿可能激发大的电流,这又进一步导致热失效。因为使设备产生损坏比导致它失常所必需的电压和电流要大一至两个数量级,损坏更有可能在传导耦合时产生。这就是说,造成损坏,ESD电火花必须直接接触电路,而辐射耦合通常只导致失常。 【静电放电对设备产生的噪声形式】 1、辐射噪声是由放电之前静电场和放电电流激发的电磁场所产生的。主要问题是放电点“地”到系统“地”平面回路经常阻抗不匹配,而这种阻抗不匹配将会产生驻波,在系统电缆的周围产生电场和磁场分布,从而在信号线上感应出大的电压或电流,导致机器死机。 2、传导噪声包括静电引起直接电流注入和电磁场产品的感应电流,电流的变化而引起CPU工作异常死机。 3、静电放电(ESD)电流产生的场可以直接穿透设备或通过空洞、缝隙、通风孔、输入输出电缆等耦合到敏感的电路。当ESD放电电流在系统内部流动时,它们激发路径中所经过的天线,这些天线的发射效率主要依赖于尺寸。ESD脉冲所导致的辐射波长从几厘米到数百米,这些辐射能量产生的电磁噪声将损坏电子设备或骚扰它们的运行。电磁骚扰可通过传导或辐射方式进入电子设备ESD的近场,辐射耦合的基本方式可以是电容或电感方式,取决于ESD源和接受器的阻抗,在远场,则存在电磁场耦合。 4、如果ESD感应的电压和/或电流超过电路的信号电平,电路操作将失常,在高阻电路中,电流信号很小,信号用电压电平表示,此时电容耦合将占主导地位,ESD感应电压为主要问题,在低阻电路中,信号主要为电流形式,因而电感耦合站主导地位,ESD感应电流将导致大多数电路出现的问题。 总结: 静电问题在合理的防护设计和layout后,大部分的静电难点问题都是静电放电产生的辐射噪声引起。 案例二 ESD与敏感信号的电容旁路 【现象描述】 某产品采用框架、PCB插板与PCB背板的结构,每一PCB插板均有金属面板,对某一PCB插板(称VPU板)的面板处进行ESD抗扰度测试时,放电方式采用接触放电,电压为±4kV,测试时出现断话和复位现象,不能满足标准要求的ESD抗扰度测试要求。 【原因分析】 静电放电的过程伴随着辐射噪声和传导噪声,辐射噪声包括泄放电流产生的静磁场、电场和磁场。传导噪声包括直接的电荷注入及电场和磁场感应的电流。下图说明了某一电压下静电放电时在10cm、20cm、30cm远处产生的电场与磁场。可见,静电放电时产生的电磁场强度相当大。当然,在实际情况下,这些效应并不是彼此独立存在的。 本案例中,ESD导致VPU板复位可能是由于该板中的控制信号线拾取到了静电放电时所产生的电磁辐射引起的,因此分析VPU板复位的原因应从复位控制电路着手,VPU板复位电路如下图所示:KRST为手动复位键复位信号输入,XRST为来自于另一块PCB插板RPU的复位信号,当RPU板启动或有复位RPU板的命令时,XRST信号会出现低电平;WDOGPW为看门狗复位信号;EQ15为上电复位信号;RSTO为复位信号输出,送往RPU板主处理器。由下图的复位电路可知,4个复位输入,只要任何一个信号有效都会导致VPU板复位。VPU板在进行接触放电时,复位问题的定位就在于查找是哪一个复位信号在试验时受到干扰,而使VPU板出现复位现象。产生EQ15上电复位信号的电路在MCU内部,不存在线长问题,它不应该会受到干扰引起复位,因此首先应当排除。同时,可以看出,整个复位处理电路是在MCU内部,所以对其它复位信号的定位既不需要割线也不用飞线,可以方便地通过修改MCU的内部软件来进行试验定位分析:
2、怀疑静电放电时VPU板的程序受到干扰跑飞,导致看门狗复位信号有效,使VPU板复位,为此将MCU内部的复位逻辑更改,即断开看门狗复位WDOGPW,保留XRST和EQ15,此时对上机框进行±6kV接触放电,VPU板仍然复位,可以断定并非是程序受到干扰而导致的复位。 3、此时基本可以断定是来自于RPU板的复位信号XRST在静电放电时受到干扰并导致VPU板复位。为了验证结论,再次修改MCU内部复位控制逻辑:仅保留EQ15,此时对面板进行±6kV接触放电,VPU板不再复位,证明确实是XRST信号受到干扰并导致单板复位。 【处理措施】 XRST复位控制信号线从RPU板→背板→VPU板,布线很长,而且它在MCU输入引脚未采取任何滤波措施。在MCU芯片的XRST信号输入引脚处对VPU板的工作地并接0.01uF的旁路电容,然后对机框进行±8kV的接触放电测试,VPU板不再出现复位现象。 【思考与启示】
案例三 金属外壳产品中空气放电点该如何处理 【现象描述】 某带有人机接口的工业用产品,采用了金属外壳,在人机接口面板处开有小孔,用来操作拨码开关,通过操作拨码开关,设定产品的工作状态。该产品做ESD试验时发现存在以下两个问题。
【原因分析】 静电放电是一种高压能量的泄放。静电放电测试时,静电放电干扰信号有就近相对低电位导体泄放的特点。对于空气放电来说,测试操作时,枪头快速接近被测点,直到放电为止,如果该产品的结构设计如下图,当执行空气放电操作时,静电放电枪头离拨码开关中的电路的距离H2比静电放电枪头离金属外壳的距离H1更近,而且H2比H1更早达到空气放电的距离,那么静电放电将会在静电放电枪头与拨码开关中的电路之间产生。 进一步分析该产品面板处的结构设计特点及内部电路,发现:
【处理措施】
最终采用的是在拨码开关的电路上增加保护电路的方案,拨码开关与内部电路之间的ESD保护电路原理如下图所示: 电路中电容的取值在1000pF~0.01uF之间,用来滤除静电放电时产生的高电压;串接一个约50Ω的电阻R(ESD要求较高时也可用TVS代替图中的电容,推荐的TVS如PSOT05)用来抑制静电放电时产生的过电流。测试证明此电路可以使该产品通过空气放电±15kV测试。 【思考与启示】
案例四 塑料外壳连接器与金属外壳连接器对ESD的影响 【现象描述】 对某一采用金属外壳的多媒体产品进行ESD测试过程中,对音频接口进行2kV的静电测试时,很容易使监视器上出现马赛克和图像凝固现象,测试失败。 【原因分析】 经过观察发现,音频接口的外壳是塑胶壳,而音频信号线的接头又靠外,所以静电干扰信号可以通过音频信号线直接耦合到PCB上,进而使设备运行异常。 静电是一种高压能量的泄放,静电放电测试时,静电干扰信号有就近相对低电位导体泄放的特点,使用塑胶外壳的音频接头时,音频信号线是离静电放电枪头最近的导体,静电干扰信号只有就近泄放到音频信号线上,如此高电压的静电信号通过信号线传输到设备内部,必然造成设备的运行异常或损坏,如下图所示: 如果静电放电点不发生在信号线上,那估计情况会好很多。为了使设备能在静电放电测试中顺利通过,最好的办法就是让静电放电能量从良好的接地路径放走,而使设备内部的任何电路、器件、和信号不受静电能量的直接干扰。对于本设备来讲,要达到此目的,就要改变在音频接口处放电时静电放电能量的泄放路径。采用金属外壳的音频接口连接器并将连接器外壳接地,可以很好地改变静电放电路径,如下图所示: 作为良好的抗静电放电干扰设计,有必要做一些补充说明。如下图所示,当静电放电点在设备的金属外壳上时,由于金属外壳本身存在不良搭接及孔缝,当静电放电电流流经不良搭接及孔缝时,必然产生压降∆∪,此压降对接地的电路产生直接的影响,即使是不接地的内部电路(图中加粗部分),也会因为容性耦合对电路产生影响(即图中的孔缝成了电容)。同时,如果孔缝尺寸与静电放电信号频率的波长可以比拟,也会成为缝隙天线而发射静电放电电流的电磁能量。 因此,作为静电放电的泄放路径来说,必须保持低阻抗。否则,可能有电弧通过电子线路形成的更低阻抗的通路。高频时由于趋肤效应,阻抗会有所增加,可以通过增加表面积来缓解这一问题。什么是EMC中的低阻抗呢?实践证明,具有长宽比小于3的完整金属平面(没有缝隙,没有开孔)可以很好地满足静电放电泄放。 【处理措施】 利用静电放电干扰信号就近泄放的特点,改变静电泄放路径,将原塑胶外壳的音频接口连接器,改称带金属外壳的音频连接器,并使金属外壳和机壳保持良好的电连续性,使静电放电干扰从音频连接器外壳——机壳流向大地,从而保护了音频接口中的信号。经过测试,采用金属外壳音频连接器的该多媒体设备抗静电放电干扰能力达空气放电±8kV、接触放电±6kV,本案例所述问题得到解决。 【思考与解决】
案例五 塑料外壳连接器选型与ESD 【现象描述】 某工业产品需要通过±8kV的ESD空气放电测试。该产品的连接器采用塑料外壳,在连接器的位置需要进行空气放电。测试过程中发现塑料外壳的连接器会出现空气放电现象,并且产品出现错误现象,导致测试失败。 【原因分析】 进行空气放电测试时,放电电极的圆形放电头应尽可能快地接近并触及受试设备(不要造成机械损伤)。每次放电之后,应将静电放电发生器的放电电极从受试设备移开,然后重新触发发生器,进行新的单次放电,这个程序应当重复至放电完成为止。 对于空气放电测试来说,其实质上是一个带电物体接近一个电位不相等的导体或接地导体时,带电物体上的电荷会通过另一个导体或接地导体泄放,这就是空气静电放电现象。当放电现象发生时,由于静电放电波形具有很高的幅度和很短上升沿,这样就会产生强度大、频谱宽的电磁场,对被放电的电子设备、线路或器件造成电磁干扰。上升沿的长度取决于放电路径的电感。人体放电波形,上升沿为1ns,带宽达到300MHz。 对于本案例中测试的产品来说,当放电电极的圆形放电头很快接近并接触测试点(连接器的塑料表面)时,如果接触点周边一定的空气击穿距离范围内(如8kV时,为6mm)存在较低电位的导体或接地导体,就会出现放电现象。研究测试中所用的连接器之后,发现此连接器外塑料表面到其内部导体之间的距离小于3mm,如下图所示: 随着放电现象的发生,产生的干扰也随之对内部电路产生影响。也许有些产品中发生此类的放电现象不一定使测试失败,但是不得不说这是一种极大的风险。 【处理措施】 根据分析,重选连接器,使新选的连接器表面到内部导体之间的距离在6mm以上。 【思考与启示】 对于塑料外壳的产品或连接器件选型时也要注意,塑料结构件表面缝隙到内部导体之间的空气距离是否足够来防止ESD击穿。任何空气空间的存在可以使ESD向电子设备的内部金属导体或电路产生ESD电弧。要利用距离保护内部电路,以下几种方式可以帮助建立一个击穿电压大于测试电压的抗ESD环境。
◆包括接缝、通风口和安装孔在内任何用户能够接触到的电(在电压一定的情况下,电弧通过介质的表面比通过空气传播得更远)。 ◆任何用户可以接触到的未接地金属,如紧固件、开关、操纵杆和指示器。 2)将电子设备装在机箱凹槽或槽口处来增加接缝处的路径长度。 3)在机箱内用聚脂薄膜带来覆盖接缝及安装孔,这样延伸了接缝/过孔的边缘,增加了路径长度。 4)用金属帽或屏蔽塑料防尘盖罩住未使用或很少实用的连接器。 5)使用带塑料轴的开关和操纵杆,将塑料手柄/套子放在上面来增加路径长度。避免使用带金属固定螺钉的手柄。 6)将LED和其他指示器装在设备内孔里,并用带子或盖子将它们盖起来,从而延伸孔的边沿或使用导管来增加路径长度。 7)延伸薄膜键盘边界使之超出金属线足够的距离(如8kV空气静电放电需要6mm以上的距离)。 8)将散热器靠近机箱接缝,通风口或安装孔的金属部件上的边和拐角要做成圆弧形状,以免出现尖端放电。 9)塑料机箱中,靠近电子设备或不接地的金属紧固件不能突出在机箱中。 ◆在触摸香橡胶键盘上,确保布线紧凑并且延伸橡胶片以增加路径长度。 ◆在薄膜键盘电路层周围涂上粘合剂或密封剂。 ◆在机箱箱体接合处,要是用耐高压硅树脂或垫圈实现密封、防ESD、防水和防尘。 |
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