1.問題描述
某工業(yè)顯示屏在進(jìn)行ESD靜電放電測(cè)試時(shí),對(duì)網(wǎng)口、USB、串口打±6kV接觸放電,每次試驗(yàn)系統(tǒng)液晶屏出現(xiàn)藍(lán)屏現(xiàn)象,系統(tǒng)死機(jī),重新上電后可以恢復(fù),實(shí)驗(yàn)不通過。
本問題已經(jīng)歷經(jīng)半年,期間客戶公司內(nèi)部以及方案公司進(jìn)行過V1.0-V1.31共4次改板,投入了大量人力物力仍未解決,時(shí)間刻不容緩。
2.故障診斷
考慮到本板歷次分別從接地、濾波、隔離等方面對(duì)單板進(jìn)行了設(shè)計(jì)整改,均未改善,懷疑單板有ESD薄弱點(diǎn),因此本次確定采用敏感源頭診斷和整改的方案,從源頭解決問題。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析,判斷為CPU功能單元受到干擾,分析核心子板(CPU模塊電路)管腳各信號(hào),從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、信號(hào)功能等角度分析,判斷表1羅列的信號(hào)比較敏感,易受靜電干擾。
表1 易受ESD干擾的敏感信號(hào)
序號(hào) | 網(wǎng)絡(luò)名稱 | 信號(hào)功能 | 對(duì)ESD敏感 |
1 | LCD_HSYNC | 液晶屏行同步信號(hào) | YES |
2 | LCD_VSYNC | 液晶屏場(chǎng)同步信號(hào) | YES |
3 | I2C_SDA | I2C總線雙向數(shù)據(jù)信號(hào) | YES |
4 | I2C_CLK | I2C總線時(shí)鐘信號(hào) | YES |
5 | LCD_EN | 液晶屏使能信號(hào) | YES |
6 | LCD_CLK | 液晶屏?xí)r鐘信號(hào) | YES |
7 | VCC_3V3_MPU | MPU單元3.3V電源 | YES |
8 | eDP_RESET | eDP接口復(fù)位信號(hào) | YES |
將ESD靜電槍電壓分別調(diào)至100V、300V、600V和1000V,分別對(duì)核心子板表1所示的信號(hào)管腳做接觸放電,查找ESD敏感信號(hào),如圖1所示。
圖2 接觸打IC管腳
實(shí)驗(yàn)中問題沒有復(fù)現(xiàn),因此排除這些信號(hào)產(chǎn)生的問題,試驗(yàn)記錄如表2所示。
表2 ESD敏感信號(hào)驗(yàn)證結(jié)果
序號(hào) | 網(wǎng)絡(luò)名稱 | 100V | 300V | 600V | 1000V |
1 | LCD_HSYNC | 正常 | 正常 | 正常 | 正常 |
2 | LCD_VSYNC | 正常 | 正常 | 正常 | 正常 |
3 | I2C_SDA | 正常 | 正常 | 正常 | 正常 |
4 | I2C_CLK | 正常 | 正常 | 正常 | 正常 |
5 | LCD_EN | 正常 | 正常 | 正常 | 正常 |
6 | LCD_CLK | 正常 | 正常 | 正常 | 正常 |
7 | VCC_3V3_MPU | 正常 | 正常 | 正常 | 正常 |
8 | eDP_RESET | 正常 | 正常 | 正常 | 正常 |
繼續(xù)分析核心子板上敏感電路,當(dāng)對(duì)敏感信號(hào)DDR_CLK 100V接觸放電時(shí)問題復(fù)現(xiàn),且每次放電問題都可以復(fù)現(xiàn)。
DDR_CLK布線4mil,且布線未預(yù)留焊盤,整改手段有限,為了確定靜電輻射電磁場(chǎng)對(duì)DDR_CLK時(shí)鐘信號(hào)有無影響,則使用1根金屬接地線,放在DDR_CLK線正上方,用靜電槍打接地線銅鼻子,如圖3所示。
圖3 接觸打接地線銅鼻子
按圖3所示的方法,6KV接觸放電時(shí),5次放電問題都能復(fù)現(xiàn),因此確認(rèn)靜電電磁場(chǎng)輻射對(duì)DDR_CLK信號(hào)和DDR器件有影響,此時(shí)使用銅箔將核心板區(qū)域屏蔽并接地,保護(hù)DDR敏感信號(hào)和模塊,如圖4所示。
圖4 核心板模塊屏蔽
將核心板模塊區(qū)域屏蔽后,對(duì)I/O接口進(jìn)行接觸放電正負(fù)6KV、8KV、10KV,每次連續(xù)40次放電,系統(tǒng)均運(yùn)行正常,問題解決,因此確定為核心板受靜電干擾導(dǎo)致整機(jī)死機(jī)。
3.原因分析
繼續(xù)驗(yàn)證確定整機(jī)ESD為輻射耦合or容性耦合,經(jīng)分析,系統(tǒng)靜電放電泄放途徑為I/O接口——單板PGND——金屬襯板——金屬機(jī)箱——機(jī)箱蓋板——接地線,如圖5所示。
圖5 整機(jī)靜電泄放途徑
當(dāng)將機(jī)箱蓋板與金屬機(jī)箱不擰螺絲時(shí)或者機(jī)箱蓋板不蓋時(shí),發(fā)現(xiàn)此時(shí)靜電放電無問題,因此排除輻射耦合,那么此時(shí)靜電泄放途徑為I/O接口——單板PGND——金屬襯板——金屬機(jī)箱,則相當(dāng)于核心板DDR敏感部位與機(jī)箱蓋板無靜電容性耦合(兩者距離很近),如圖6所示。
圖6 去掉后蓋整機(jī)靜電泄放途徑
綜上整機(jī)核心子板靜電耦合簡(jiǎn)易模型如圖7所示。
圖7 核心子板靜電耦合模
診斷時(shí)核心子板加屏蔽罩后此時(shí)靜電耦合模型如圖8所示。
圖8 核心子板靜電耦合模型
從圖8可以看出,核心子板加屏蔽罩后,機(jī)箱后蓋板靜電能量直接耦合到金屬屏罩并通過屏蔽罩接地引腳到GND,從而避免ESD直接耦合到敏感的DDR模塊,問題得以解決。因此根據(jù)以上分析,為機(jī)箱后蓋板靜電干擾容性耦合至DDR模塊電路導(dǎo)致ESD問題。
4.整改措施
因核心子板是客戶公司平臺(tái)化產(chǎn)品,模塊上DDR電路又及其敏感,推薦主板采用屏蔽罩屏蔽敏感核心子板模塊的方案量產(chǎn),本方案簡(jiǎn)單易行,成本增加不到0.5元,效果可靠。最后經(jīng)與客戶溝通,目前主板上空間充足,本方案可生產(chǎn),屏蔽罩如圖9所示。
圖9 核心板屏蔽罩
5.實(shí)踐效果
改板后再次進(jìn)行靜電試驗(yàn),此后系統(tǒng)死機(jī)問題再未復(fù)現(xiàn),試驗(yàn)通過。
【總結(jié)】
ESD實(shí)驗(yàn)時(shí),工程師經(jīng)常碰到打一槍就死,整改來整改去沒用,即便做了無數(shù)次PCB改板,也徒勞無功,搞得懷疑人生,自嘲下此刻想死的心都有了!何故?因?yàn)殡娐分杏袑?duì)ESD極其敏感的薄弱點(diǎn),不攻要害,何來征服!本案例產(chǎn)品ESD問題,經(jīng)過縝密的診斷和分析確定出了敏感源和耦合途徑,然后通過對(duì)敏感源屏蔽成功化解。本文的整改方法和思路啟示我們,打蛇打七寸,擒賊要擒王,不出手則已,出手則要狠招絕招,首戰(zhàn)即決戰(zhàn),一戰(zhàn)定乾坤。