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          敏感電路模塊屏蔽解決ESD靜電案例
          點擊次數(shù):404 更新時間:2024-07-10

          1.問題描述

          某工業(yè)顯示屏在進行ESD靜電放電測試時,對網(wǎng)口、USB、串口打±6kV接觸放電,每次試驗系統(tǒng)液晶屏出現(xiàn)藍屏現(xiàn)象,系統(tǒng)死機,重新上電后可以恢復(fù),實驗不通過。

          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、隔離等方面對單板進行了設(shè)計整改,均未改善,懷疑單板有ESD薄弱點,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)實驗現(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,從實踐經(jīng)驗、信號功能等角度分析,判斷表1羅列的信號比較敏感,易受靜電干擾。   

          表1 易受ESD干擾的敏感信號

           

          序號

          網(wǎng)絡(luò)名稱

          信號功能

          對ESD敏感

          1

          LCD_HSYNC

          液晶屏行同步信號

          YES

          2

          LCD_VSYNC

          液晶屏場同步信號

          YES

          3

          I2C_SDA

          I2C總線雙向數(shù)據(jù)信號

          YES

          4

          I2C_CLK

          I2C總線時鐘信號

          YES

          5

          LCD_EN

          液晶屏使能信號

          YES

          6

          LCD_CLK

          液晶屏?xí)r鐘信號

          YES

          7

          VCC_3V3_MPU

          MPU單元3.3V電源

          YES

          8

          eDP_RESET

          eDP接口復(fù)位信號

          YES












          將ESD靜電槍電壓分別調(diào)至100V、300V、600V和1000V,分別對核心子板表1所示的信號管腳做接觸放電,查找ESD敏感信號,如圖1所示。

           

          敏感電路模塊屏蔽解決ESD靜電案例
           

          圖2 接觸打IC管腳

           

          實驗中問題沒有復(fù)現(xiàn),因此排除這些信號產(chǎn)生的問題,試驗記錄如表2所示。

          表2 ESD敏感信號驗證結(jié)果

          序號

          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,當對敏感信號DDR_CLK 100V接觸放電時問題復(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對DDR_CLK時鐘信號有無影響,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。

           

          敏感電路模塊屏蔽解決ESD靜電案例
           

           

           

          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,5次放電問題都能復(fù)現(xiàn),因此確認靜電電磁場輻射對DDR_CLK信號和DDR器件有影響,此時使用銅箔將核心板區(qū)域屏蔽并接地,保護DDR敏感信號和模塊,如圖4所示。

           

          敏感電路模塊屏蔽解決ESD靜電案例
           

           

           

          圖4 核心板模塊屏蔽

           

          將核心板模塊區(qū)域屏蔽后,對I/O接口進行接觸放電正負6KV、8KV、10KV,每次連續(xù)40次放電,系統(tǒng)均運行正常,問題解決,因此確定為核心板受靜電干擾導(dǎo)致整機死機。

          3.原因分析

          繼續(xù)驗證確定整機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——金屬機箱——機箱蓋板——接地線,如圖5所示。

           

          敏感電路模塊屏蔽解決ESD靜電案例
           

           

                 

          圖5 整機靜電泄放途徑

           

          當將機箱蓋板與金屬機箱不擰螺絲時或者機箱蓋板不蓋時,發(fā)現(xiàn)此時靜電放電無問題,因此排除輻射耦合,那么此時靜電泄放途徑為I/O接口——單板PGND——金屬襯板——金屬機箱,則相當于核心板DDR敏感部位與機箱蓋板無靜電容性耦合(兩者距離很近),如圖6所示。

           

          敏感電路模塊屏蔽解決ESD靜電案例
           

           

          圖6 去掉后蓋整機靜電泄放途徑

           

          綜上整機核心子板靜電耦合簡易模型如圖7所示。

           

          敏感電路模塊屏蔽解決ESD靜電案例
           

           

           

          圖7 核心子板靜電耦合模

           

          診斷時核心子板加屏蔽罩后此時靜電耦合模型如圖8所示。 

           

          敏感電路模塊屏蔽解決ESD靜電案例
           

           

          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。

           

           

          敏感電路模塊屏蔽解決ESD靜電案例
           

           

           

          圖9 核心板屏蔽罩

          5.實踐效果

          改板后再次進行靜電試驗,此后系統(tǒng)死機問題再未復(fù)現(xiàn),試驗通過。

          【總結(jié)】

          ESD實驗時,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?因為電路中有對ESD極其敏感的薄弱點,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。

           

           

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