01、問題描述
某塑料殼體平板產(chǎn)品，在進(jìn)行ESD放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，空氣放電±8kV測(cè)試時(shí)產(chǎn)品死機(jī)，需要斷電重啟才能恢復(fù)正常，實(shí)驗(yàn)不通過。
02、問題分析
判斷查看產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，塑料殼體，使用四層單板，層疊順序 TOP-GND-POW-BOT，頂層信號(hào)以第二層地平面做為回流參考平面，底層信號(hào)以第三層電源平面做為參考回流平面，如圖 1 所示：
圖1 ：?jiǎn)伟鍖盈B結(jié)構(gòu)
圖中，深藍(lán)為底層布線，淺藍(lán)為第三層電源平面，產(chǎn)品為數(shù)字產(chǎn)品，根據(jù)整機(jī)的故障現(xiàn)象，懷疑高速DDR對(duì)靜電比較敏感，PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，DDR信號(hào)選擇頂?shù)讓硬季€，分別參考不同回流平面，環(huán)路比較大容易受ESD靜電干擾。 將靜電槍電壓調(diào)低到500V，直接用靜電槍槍頭對(duì)高速DDR布線放電，此時(shí)問題可以復(fù)現(xiàn)，因此判斷是DDR信號(hào)受靜電干擾導(dǎo)致死機(jī)。
03、問題原因分析
根據(jù)電流沿最小阻抗路徑回流到源的原則和電流必須形成環(huán)路的原則，信號(hào)環(huán)路面積越小空間輻射能力越弱，耦合外部噪聲干擾的能力就越弱。反之，信號(hào)環(huán)路面積越大空間輻射能力就越強(qiáng)，耦合外部噪聲干擾的能力就越強(qiáng)，具體示意如圖 2 所示：
圖2： 電流回流環(huán)路示意圖
信號(hào)的傳輸路徑是由兩條相反的路徑構(gòu)成，一條是驅(qū)動(dòng)路徑，由驅(qū)動(dòng)端指向 接收端，一條是返回路徑，由接收端指向發(fā)送端，即任何電路既有信號(hào)路徑又有 回流路徑。多層板電源平面和地平面都可以做為信號(hào)的回流路徑，根據(jù)微帶線原 理，微帶線因?yàn)樾盘?hào)布線與參考平面之間緊密耦合的緣故，回返電流會(huì)在參考平面上布線的直接正下方（或正上）流動(dòng)，因此本產(chǎn)品四層板信號(hào)回流路徑如圖 3 所示：
圖3 ：疊層回流路徑圖示
從圖 3 可以看出，頂層布線層信號(hào)回路就近參考 GND 平面，而底層布線層信號(hào)回流就近參考POW平面，電源平面和地平面由于電氣屬性不同，此時(shí)信號(hào)回流 不能從一個(gè)平面回到另一個(gè)平面，如圖 4 所示：
圖4 ：信號(hào)換層回流路徑圖示
從圖4可以看出，參考不同平面的回返電流路徑中斷，此時(shí)回返電流將流經(jīng)不可預(yù)期的路徑，增大DDR布線環(huán)路面積，環(huán)路越大接收電磁場(chǎng)能力越強(qiáng)將增大EMC風(fēng)險(xiǎn)。 設(shè)計(jì)師也考慮到這個(gè)問題，在信號(hào)換層處附近的電源和地增加電容進(jìn)行橋接，如下圖5所示：
圖5 ：信號(hào)換層跨分割增加電容橋接回流圖示
通過分析信號(hào)回流路徑，并調(diào)整信號(hào)換層處回流路徑的橋接電容參數(shù)，無明顯改善，判斷不是信號(hào)回流路徑環(huán)路面積較大，引起的耦合問題。深入分析發(fā)現(xiàn)PCB背面靠近空氣放電測(cè)試點(diǎn)，而空氣放電瞬間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的空間電場(chǎng)輻射?？紤]到這種情況，在PCB底層布線上增加金屬屏蔽殼體并接地，來屏蔽電場(chǎng)，靜電放電測(cè)試結(jié)果順利通過，確認(rèn)是靜電放電過程中的電場(chǎng)耦合。
04、問題解決方案
調(diào)整單板層疊結(jié)構(gòu)為TOP-GND-SIG-POW，如圖6所示。
圖6：層疊結(jié)構(gòu)調(diào)整圖
從圖6可以看出調(diào)整單板層疊結(jié)構(gòu)后，TOP信號(hào)仍然參考第2層地平面，第3層的信號(hào)布線參考BOTTOM層電源平面，第2層參考地平面與BOTTOM層電源平面仍然通過電容橋接換層處的信號(hào)回流路徑，信號(hào)的參考平面未做任何改變。利用電源平面低阻抗的特性來實(shí)現(xiàn)屏蔽電場(chǎng)的目的。
修改PCB Layout后，±8kV空氣放電測(cè)試順利通過，實(shí)現(xiàn)低成本解決方案。
05、案例總結(jié)思考
靜電放電過程中產(chǎn)生的空間場(chǎng)噪聲耦合，是靜電放電干擾進(jìn)入敏感設(shè)備、敏感信號(hào)、敏感電路的重要路徑，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段可以通過敏感源與靜電放電測(cè)試點(diǎn)之間的距離、空間屏蔽的方式規(guī)避問題，也可以通過調(diào)整PCB Layout疊層設(shè)計(jì)來規(guī)避。