某款智能环境控制器接触静电放电出现黑屏、花屏问题分析调试
图1：产品形态图
01、问题现象描述
某公司生产制造的智能环境控制器，依据GB/T17626.2标准，进行接触放电±15KV测试，当对温度金属探头进行接触±15KV测试放电测试时，出现黑屏、花屏无法恢复，按复位键没有作用，需要断电重启，方可以恢复，不符合A等级判定标准。试验结果如表：
客户调试一段时间后，无法找到有效对策，付费委托我司进行整改，要求整改周期为3周，客户产品周期非常急迫。
02、问题现象确认
对客户寄送样机进行静电放电摸底测试，结果同客户反馈的问题现象相同，排除测试场地、测试仪器差异的可能性。静电放电不通过的测试点是温度金属探头，其它测试点均测试通过。 温度金属探头外壳是直接连接在EARTH，EARTH是直接连接到PE地；金属探头的内部是热敏电阻，热敏电阻通过信号采集，转换为AD信号输入到主芯片，由芯片判断后调整控制环境温度。 温度采集、AD转换电路与主控芯片之间采用单点接地，与温度金属探头外壳的PE地完全隔离，即整个系统是浮地的方式。
图2：产品内部布局图与PCB Layout图
图3：产品电路原理框图
03、问题现象分析
图4：温度金属探头电路连接简图
根据温度金属探头连接图，尝试进行如下试验来协助判断静电放电干扰耦合路径：将温度金属探头内部热敏电阻的电路连接断开，只保留温度金属探头外壳连接到EARTH的连线，对温度金属探头接触15KV放电，不良现象很快重现，无任何改善效果，判断静电放电干扰不是从温度探头的信号路径耦合到内部电路的。温度金属探头外壳是直接接PE地，对PE地直接接触放电15KV，原则上静电电流很快泄放到电网或者大地，且PE地与系统GND之间无物理连接，不存在传导耦合的路径。静电放电干扰不是通过传导路径耦合干扰系统内部敏感电路的，判断是通过空间辐射耦合的方式干扰内部敏感电路，空间辐射方式主要有磁场、电场、电磁场。温度金属探头的外壳直接接EARTH，即PE地，与PE地相对等电位，所以电场辐射相对较小，静电高频电流从PE地泄放构成瞬态电流环路，磁场辐射则很强，综合判断是空间磁场辐射耦合。
初步判定为静电放电瞬态电流磁场辐射耦合进入内部敏感电路，根据磁场辐射耦合的机理，需要分析寻找到系统内部的敏感电流环路，并增加抑制对策方可解决：
根据磁场耦合机理可知，构成磁场耦合必须有环路，环路阻抗相对较低，否则就无法形成磁场耦合。环路面积越大耦合能力越强，反之，环路面积越小耦合能力相对较弱。功率信号的环路面积、高速信号的环路面积控制很容易引起工程师重视，在PCB设计中进行有效管控，而控制信号的回流路径，即控制信号环路则很容易被工程师忽略；恰恰控制信号构成的环路面积极容易感应静电放电干扰，导致系统工作异常。对PCB Layout图进行深入分析，发现地平面分割非常严重，且模块与模块之间或采用单点接地，或因地分割导致信号环路面积失控，都为静电放电干扰耦合提供了条件。
图5：PCB Layout造成参考地平面跨分隔严重
04、问题分析与调试过程
图6：温度采样信号PCB Layout图
- 温度采样ADC芯片输出到主控芯片信号调试
在温度采样ADC芯片输出到控制芯片引脚处增加高频电容，静电放电测试时问题现象出现更加频繁，ESD问题现象变得更加严重，说明增加电容后环路面积变的更加不可控，沿着ADC输出信号布线轨迹，使其底层参考地平面保持完整（如图所示用导电铜箔桥接），静电放电测试问题出现概率降低非常明显。
图7：温度采样ADC芯片输出到主控芯片信号参考保持完整（铜箔桥接）
- 主控芯片与其它模块电路连接信号调试
- 根据试验验证结果，确认温度采样模块电跨分割，造成信号环路面积较大，静电放电产生的磁场容易在环路中感应噪声，同理其它的信号是否也存在相同的情况，再次对PCB Layout进行深入分析。
- RELAY1-15外部端口转换电路因PCB Layout分地设计不合理，导致信号的环路面积也很大，极易耦合静电放电干扰。
- Sensors检测转换电路，输出到主控制芯片ADC信号的回流路径，因PCBLayout分地设计不合理，导致信号环路面积非常大，极易耦合静电放电干扰。
图8：RELAY1-15外部电路输出到主控芯片信号参考保持完整（铜箔桥接）
图9：Sensors电路输出到主控芯片信号参考保持完整（铜箔桥接）
【试验结论】：将外部模块电路到主控芯片之间信号的参考地平面保持完成后，静电放电测试结果PASS，符合客户静电放电测试要求。
05、问题产生的根因分析
经过深入分析验证，确认问题产生的根因如下：
- 因电路模块设计时，考虑不同模块间信号的串扰问题，模块间进行分地并进行单点接地设计。
- PCB Layout设计时，对模块间分地后的信号回流路径设计考量不严谨，造成信号的参考平面多次跨分割，使信号环路面积变大，感应静电放电干扰。
- 具体体现温度检测采样电路输出到主控芯片信号的参考完整性，Relay1-15外部端口转换电路信号参考平面的完整性，Sensor检测电路输出到主控芯信号参考完整性。
图10：静电放电干扰耦合机理图示
06、问题解决方案
修改PCB Layout，使红色方框图示处参考地平面保持连续性，以保证信号回流路径的完整性，缩小其环路面积，减小在静电放电瞬间产生的磁场耦合。
图11：问题解决方案
【案例思考与总结】
静电放电噪声耦合的方式主要是：传导耦合与辐射耦合，辐射耦合主要以磁场耦合、 电场耦合为主要形式。电场耦合发生的主要条件是：静电放电高频电流成分产生的高频磁场、敏感信号的高频环路，两者缺一不可。根据高速信号回流路径的特性可知，其回流路径是贴近信号布线下方，或者信号两侧，若信号回流路径跨分割后，环路面积会随之增大；信号环路面积大从EMI角度看其空间辐射更强，从EMS角度看则更容易耦合外部噪声干扰（雷击浪涌、EFT、ESD、RS）。
案例给予的经验是不仅需要关注高速高频信号参考的完整性，同时需要考虑控制信号参考的完整性；而实际中控制信号的参考的完整性很容易被工程师忽略。