這期我帶大家繼續進行靜電放電問題典型案例分析，前篇文章分別介紹了復位信號、DC-DC芯片設計問題引發的靜電放電問題；這篇文章將介紹軟件設計、PCB環路設計引發的靜電放電問題；話不多說，還是通過兩個案例展現給大家。

一、環境溫度控制器接觸放電±15KV測試出現黑屏等問題案例分析

產品形態圖

1. 問題現象描述

某豬舍智能環境控制器產品依據GB/T17626.2標準進行接觸放電±15KV測試時，當對溫度探頭的金屬外殼進行±15KV接觸放電測測試時，顯示屏出現黑屏、花屏等現象且無法自動恢復，按復位鍵沒有作用，需要斷電重啟，方可以恢復，不符合A等級判定標準。

試驗結果如表：

2. 問題現象分析

產品原理框圖

對樣機進行±15KV接觸放電摸底測試，其問題現象同反饋相同，排除測試場地、測試儀器差異的可能性。靜電放電測試不通過的測試點是溫度金屬探頭，其它測試點均可測試通過。

溫度金屬探頭外殼是直接連接在EARTH，EARTH是直接連接到PE地；金屬探頭的內部是熱敏電阻，熱敏電阻通過信號采集轉換為AD信號輸入到主芯片，由芯片判斷后調整控制環境溫度。溫度采集、AD轉換電路與主控芯片之間采用單點接地，與溫度金屬探頭外殼的PE地完全隔離，即整個系統是浮地的方式。

3. 問題分析驗證過程

3.1 根據溫度金屬探頭連接圖，嘗試從如下試驗協助判斷靜電干擾路徑：

將溫度探頭內部熱敏電阻連接的電路靠近板端斷開，只保留溫度探頭的金屬外殼連接到EARTH線，對溫度金屬探頭接觸15KV放電，不良現象很快重現，對策無任何的改善效果，判斷靜電放電干擾不是從信號路徑耦合干擾內部電路的。

溫度探頭的金屬外殼是直接接PE地，對PE地直接接觸放電15KV，原則上靜電電流很快泄放到電網或者大地，且PE地與系統GND之間無物理連接，不存在傳導耦合的路徑。

通過排除試驗確認靜電放電干擾不是通過傳導耦合的路徑干擾系統內部敏感電路，判斷是通過空間輻射的方式干擾內部敏感電路，空間輻射方式主要有磁場、電場、電磁場。

3.2 初步判定為靜電放電電流磁場輻射，根據磁場耦合的機理，需要分析尋找到系統內部的敏感電流環路，并增加抑制對策方可解決

根據磁場耦合的機理可知，構成磁場耦合必須有環路，環路阻抗相對較低，否則就無法形成磁場耦合。環路面積越大耦合能力越強，反之環路面積越小耦合能力相對較弱。

功率信號的環路面積、高速信號的環路面積控制很容易引起工程師重視，在PCB設計中進行有效管控，而控制信號的回流路徑，即信號環路則很容易被工程師忽略；恰恰控制信號構成的環路面積極容易感應靜電放電干擾，導致系統工作異常。

對PCB Layout圖進行深入分析，發現地平面分割非常嚴重，且模塊與模塊之間或采用單點接地，或因地分割導致信號環路面積失控，都為靜電放電干擾耦合提供了條件。

3.3 PCB Layout設計分析

系統出現顯示花屏、黑屏現象，而不是溫度采集信息錯誤，則說明主控MCU芯片受到干擾，導致系統工作出現異常，顯示花屏、黑屏、宕機現象。

靜電放電干擾是通過空間耦合的方式進入主控芯片，主要與信號環路面積、PCB布線長度高度相關，需要重點排查PCB Layout設計。

主控芯片與各個模塊電路互連時，信號從遠端到接受端再通過參考地平面返回到遠端構成的信號環路面積越小，耦合外部靜電放電干擾的能力就越弱，反之則越強。地平面無規劃性的分割，是很容易噪聲信號回流路徑的失控，而引發信號環路面積的失控。

主控板PCB Layout圖

3.4 溫度采樣電路模塊信號環路面積縮小試驗

沿著溫度采樣電路信號傳輸軌跡，將其鄰層參考地平面保持完整，達到信號環路面積最小化的規范要求。

具體操作是使用金屬銅箔，在信號軌跡下方將分割的參考地平面連接起來，構成相對完整的參考地平面，下圖紅色方框處底層使用銅箔連接起來。

溫度采樣電路信號軌跡參考地平面完整性措施

審核編輯：湯梓紅