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遇到ESD静电问题?实战案例告诉你怎么做!硬件工程师思路详解-燚智能周教授

简介

今天用一个实际案例来讲讲如何应用这些知识。 整机环境 产品ID中定义有三块大金属件,表面MIC板上一块圆形大金属铝板,灯带上一个大金属铝环,除铝环和MIC板上铝板其它部分用挖空铝板覆盖。侧面一块大铝板。 (这是燚智能团队开发的一款智能音箱,因为还未上市,无法提供外观图片。读者可以把它想象成为一个方形音箱,顶部有炫彩灯和麦克风阵列)

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前面我们讲了智能硬件设计中,ESD静电防护,在硬件、结构、PCB设计中的几个要点。

今天用一个实际案例来讲讲如何应用这些知识

整机环境

产品ID中定义有三块大金属件,表面MIC板上一块圆形大金属铝板,灯带上一个大金属铝环,除铝环和MIC板上铝板其它部分用挖空铝板覆盖。侧面一块大铝板。

(这是燚智能团队开发的一款智能音箱,因为还未上市,无法提供外观图片。读者可以把它想象成为一个方形音箱,顶部有炫彩灯和麦克风阵列)

遇到ESD静电问题?实战案例告诉你怎么做!硬件工程师思路详解

整机ESD分析

整机表面存在四块独立的大面积金属块,需要考虑接地处理。接口部分存在DC座和HDMI座,需要考虑静电处理。

最初ESD防护的设计方案

独立静电泄放路径

顶部铝板装饰通过导电布与垂直铝板装饰件连接,垂直铝板通过弹片直接连接至DC板上面的地。MIC铝板通过弹片连接至MIC板单独的ESD焊盘,然后单独拉线到DC板上面的地。

此方案假想ESD最终都是通过DC座子将静电泄放到电源适配器,从而通过市电网络将静电泄放在大地上。紫色线路为泄放路径。

遇到ESD静电问题?实战案例告诉你怎么做!硬件工程师思路详解

实测ESD效果,不通过

按照如上方案设计静电方案后,现象为,+/-4KV接触放电,灯带上的半边灯,无论在外壳任何金属部位放电,ESD测试一次就挂掉了(灯熄灭,重新开机正常亮起)。

高概率存在+/-4KV接触放电整机被静电打死(表面金属件和DC座子,HDMI接口都存在)。

光板测试,主板上的地平面, +/-4KV接触放电,主板不会被打死,ESD性能比整机好很多,说明PCB电路板抗静电能力还不错


ESD整改步骤分析

LED板ESD分析:GND不良

首先分析,ESD扩散路径,不管整机任何区域都会导致左半边灯熄灭,而LED板使用的是两颗同等规格的IC,需要对比设计差异。

  • 差异1:LED板采用同一组IIC,由于需要区分地址,IIC地址选择脚AD脚配置不一样。

遇到ESD静电问题?实战案例告诉你怎么做!硬件工程师思路详解

将AD飞线串电阻,并电容,提高AD脚的抗干扰能力,ESD效果并不太理想;将两颗IC的AD脚高低电平交换,使IIC地址交换,ESD效果不会跟随IIC地址变化。

  • 差异2:LED板PCB走线可能存在差异,需要对比PCB走线。

检查PCB layout 发现左边电源上的去耦电容和滤波电容。发现右边去耦电容和滤波电容的第二层的地被走线所隔离。通过临时刮地,就近在地与电源之间放置一颗100nF电容,ESD效果明显改善。

遇到ESD静电问题?实战案例告诉你怎么做!硬件工程师思路详解

↑图: 修改前的PCB图

最终根据实验现象修改Layout如下。提高了芯片GND的连通性,提升去耦电容的效果

遇到ESD静电问题?实战案例告诉你怎么做!硬件工程师思路详解

↑图:修改后的PCB图

整机ESD分析:屏蔽措施不足

首先,通过实验,观察到主板的地是可靠的,静电直接到主板的地平面+/-4KV接触放电不会产生ESD问题,接下来需要分析整机环境。

在试验中意外发现,主芯片在加封闭的屏蔽罩后,对整机静电有明显效果,但屏蔽罩并没有与外壳金属件有任何接触。

为什么屏蔽罩会对静电造成这么大的影响呢?

回过头我们再看看最初的ESD处理方案。

终于,我们可以看到这款设备的不同之处,在顶部的MIC板和顶部铝板装饰中完美的构成了一个平行板电容器,同样的主板和垂直铝板装饰件也构成了一个平行板电容器。

遇到ESD静电问题?实战案例告诉你怎么做!硬件工程师思路详解

再分析加入屏蔽罩时改变了什么?

遇到ESD静电问题?实战案例告诉你怎么做!硬件工程师思路详解

结合以上分析,我们通过实验证实我们的假想。由于主板的地对于ESD是强壮的,并且在ESD放电的那一瞬间,大地恐怕离我们的设备过于遥远,静电并不会挑这么一条路径在短暂在的ns级时间单位中释放它的能量(电荷),那么对于我们现在的设备,也只有多层地平面的主板地才能在这么短暂的时间存储ns级时间单位中释放的大部分能量。

实验1:在IC上隔更近的距离,放置一块悬空的铜箔, +/-4KV接触放电,设备一下打死。

实验2:将主板和垂直铝板装饰件之间直接通过导线连接,垂直铝板装饰件上ESD效果明显改善。

以上说明了:静电能量击中“最容易被击中”的设备,而不是我们“规划的”路径。

总结

静电现象比较抽象,需要多动手做实验印象彩票开户,在静电实验室打上千,甚至上万次的静电。

还需要用心去观察每次放电时的现象,去假想静电在设备中的流窜路径,并去证实自己的假想。

每个设备的静电现象、泄放路径都会不同,不能生搬硬套,需要在理论的基础上不断以实际案例去丰富自身的经验,才能对静电有所了解。


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