硕凯ESD防静电保护器件常见故障和解决方案.ppt

esd常见故障和解决方案 硕凯电子 内容简介 第一章 静电基本概念第二章 故障现象第三章 故障分析第四章 解决方案第五章 总结 第一章 静电基本概念 1 为什么要做静电放电测试 人体常常都有静电 当用手触摸电子设备或元器件时 常常会因为瞬间的静电放电而使元器件或设备受到干扰 甚至损坏 因此采用静电放电设备来模拟设备遭受直接来自操作者和对临近物体静电放电时抗扰度的情况 考量设备和元器件的抗静电能力 2 静电放电现象之所以会产生电磁干扰现象 是因为放电电流具有很高的幅度和很短的上升时间 这样就会产生强度大 频谱宽的电磁场 对电子设备造成电磁干扰 或静电产生很高的高压直接进入到电路中 损坏元器件 静电放电案例 台式设备测试布局 立式设备测试布局 静电放电发生器原理图 静电放电发生器元器件 150pf的电容容量主要是模拟人体的电容量 为表示人体握有某个钥匙或工具等金属物时的源电阻可选用一个330欧姆的电阻模拟 这种金属放电情况足以严格地表示现场的各种人员的放电 静电放电输出电流的波形 测试注意事项 1 对于只有在厂家维修或用户维修 保养时才能触及到的点或表面 以及正常使用中用户很少触及到的设备的点或表面 例如更换电池时的电池触点 这些点或表面不进行静电放电测试 2 电磁兼容的三要素 干扰源 耦合路径 敏感源 对于解决抗扰问题来说重要的是后两项 其中最主要的就是在耦合路径上想办法 几种主要的耦合路径 辐射耦合 电容耦合 电感耦合 共阻抗耦合 传导耦合 几种主要的耦合路径 辐射耦合又叫空间耦合 它和辐射发射对应 也要通过天线来接收辐射 辐射发射效率高的天线接收效率也高 所以一般对付辐射发射有效的手段 对辐射抗扰也有效 几种主要的耦合路径 电容耦合 只要两个电路之间存在互容 一个电路的变化的电压就会通过互容影响第二个电路 假设有a b两个电路 两电路的互容为c a电路的电压变化率为dv dt b电路阻抗为rb则b电路的耦合电流 几种主要的耦合路径 那么b电路的干扰电压vb电容耦合电压的大小取决于几个因素 干扰电压的变化率 越大耦合噪声越大 互容越大 耦合噪声越大 接收电路的阻抗越大 耦合噪声越大 几种主要的耦合路径 电感耦合 只要两个电路之间存在互感 一个电路变化的电流就会通过互感影响另一个电路 假设a b两个电路 a电路的电流变化率为di dt 互感为l 则b的感应电压 几种主要的耦合路径 很明显 a电路的电流变化率越大 b电路的噪声越大 在电路电压变化一定的情况下 a电路电阻越大 电路变化率就越小 b电路的噪声越小 几种主要的耦合路径 传导耦合 两个电路通过一个导体连接起来 一个电路的信号会通过导体传导进另一个电路 形成干扰 如通过共用的电源线 地线等等进行耦合 几种主要的耦合路径 共阻抗耦合 当两个或以上的电路的电流流过公共阻抗时 就会出现共阻抗耦合 实际上 我们绝大部分的干扰最后都是通过共阻抗耦合的方式来影响敏感电路 本质上都是共阻抗耦合 如前面说的辐射 电场 电感 传导最后基本上都是干扰电流流过敏感电路的阻抗起作用的 几种主要的耦合路径 共阻抗耦合举个很简单的例子 如图是一个信号驱动回路 v代表信号驱动源 可以看出芯片输出脚 zg表示地线阻抗 zl表示负载阻抗 可以看成芯片输入脚 那么zl两端的电压就是信号输入电压 i是干扰注入的电流 几种主要的耦合路径 输入电路识别的就是负载两端的电压 很明显在没有干扰电流注入的情况下 信号电压vl如下 当干扰电流流入时 运用基尔霍夫电压电流定律可以得出很明显干扰电流已经影响到了信号输入电压 当干扰电流足够大时 信号输入电压就超过门限 不能被识别 设备分类 解决esd问题要对设备进行分类 以做到不同类型设备不同处理方式 一类设备 金属结构设备 金属外壳接大地 包括两中情况 一种是通过系统接地线接大地 另一种是通过电源内的pe线接大地 二类设备 金属结构设备 外壳不接大地 如mp3播放器等 三类设备 塑胶结构设备 一类设备静电问题处理 解决此类esd问题原则 快速泄放静电电流 此类设备的静电试验主要是针对设备的外壳 连接器外壳 指示灯 复位按钮 拨码开关 电源开关等部位进行 所以在出现静电问题时应该针对这些地方进行处理 系统接地线接大地 通过电源pe接大地 外壳放电问题之电流路径确定 确定静电泄放路径 方法是将设备的外壳平铺开 沿放电点到设备接地点画直线 一般来说 这条直线就是静电电流的泄放途径 放电点 接地点 放电点 接地点 检查此条路径是否 通畅 之一 是否存在结构孔缝 导致静电产生的场通过孔缝向设备内部辐射 解决方法 采用铜箔 铝箔或导电布将此孔缝 电堵住 进行比较试验 放电点 接地点 检查此条路径是否 通畅 之二 如果放电点和接地点在设备的不同结构件部位 即两个点不在一个完整的金属体上 则检查这两个金属件之间的电搭接是否良好 一般来说 需要关注搭接的地方是否大面积接触 没有喷绝缘漆 不喷绝缘漆 接地点 放电点 泄放途径附近是否有内部电缆 静电电流泄放途径附近是否存在设备内走线 特别是当放电路径上存在结构缝隙时 缝隙附近有信号线 解决方法 1 改变此电缆的走线方式 远离放电途径或放电途径上的孔缝 2 在信号线上增加磁环 切断静电感应的共模电流 加滤波电容 加滤波电容 磁环 泄放途径附近是否有敏感电路 检查泄放途径附近是否存在敏感电路 如复位电路 控制电路 音视频电路等 特别是泄放途径中存在孔缝时 孔缝附近的敏感电路极易被静电干扰 解决方法 用屏蔽材料堵住孔缝 设备接地端子是否作金属化处理 如下图所示 设备接地光通过螺钉的螺纹连接是不可靠的 应该在落空四周作金属化处理 金属化区的面积和接地线的垫片大小一致即可 以保证大面积搭接 螺孔 金属化区 通过电源pe线接地的接地线长度要求 下图为设备俯视图 箭头为静电电流的流向 可以看出 如果接地线在设备内部长度过长将会导致静电电流的辐射 干扰单板正常工作 所以建议pe线最好接在设备金属壳的外表面 如果在内表面建议长度小于6cm 设备内部 接地螺钉 接口连接器静电问题处理 下图为俯视图 静电枪对连接器金属外壳进行放电时容易出现问题 原因是连接器的外壳一般都接在单板地上 从而静电电流会流进单板产生问题 解决方法 1 保证连接器的金属外壳和设备的金属外壳良好接触 使静电电流直接从设备外壳泄放到大地上 可以采用导电布 锯齿簧片等屏蔽材料来保证连接器的外壳和设备外壳良好搭接 2 避免复位信号电路 线 片选信号线以及控制信号电路等敏感电路靠近接口连接器 接口信号的esd防护 在对接口连接器进行放电时 连接器内的插针极易耦合出静电电流 采取的措施 1 采用tvs管进行静电抑制 tvs管为瞬态抑制二极管 并使用限流电阻进行限流 如下图所示 2 选用抗静电能力较强的接口芯片 面板复位按钮esd问题处理 面板复位按钮是静电非常敏感的电路 可以采用以下两种方法处理 指示灯 拨码开关电路的处理方式同 此外 面板复位按钮 拨码开关以及指示灯在面板上的开孔应尽可能小 面板显示屏 键盘esd问题处理 对于这些部位的静电问题 一般都是因为静电进入了设备内部 干扰显示和键盘控制电路导致问题产生 最好且最有效的办法是在键盘 显示屏的表面贴绝缘膜 使静电在这些部位无法放电 对于绝缘膜方法无法实施的设备 建议在控制线上加磁环进行静电脉冲抑制 对于有屏蔽金属丝网的显示屏 金属丝网要和结构件良好搭接 二类设备静电问题处理 对于此类设备的esd放电部位和一类设备一样 包括设备的外壳 连接器外壳 指示灯 复位按钮 拨码开关 电源开关等部位 所以在出现静电问题时应该针对这些地方进行处理 外壳无接地设备 对设备外壳的放电 对于下图中的情况 设备内电路和金属外壳无电连接 设备内电路有电缆在远端接地 处理方法 见下页 电路和机壳不连时 二次放电产生的静电电流路径 上页情况的处理方法之一 有条件接地的设备 外壳接地并且要保证接地阻抗小 和机壳连接 无法保证接地阻抗小的设备 其在外部接地的线和机壳相连 上页情况的处理方法之二 和机壳连接 对于无条件接地的设备 使其在外部接地的线和外壳相连 对于无条件接地的设备 采用双绞线的方式传输信号 对设备外壳的放电 电路和机壳相连时 产生的静电电流路径 对于下图中的情况 设备内电路和金属外壳有电连接 设备内电路有线在远端接地 处理方法 见下页 上页情况的处理方法之一 有条件接地的设备 外壳接地并且要保证接地阻抗小 无改善则去掉电路和外壳的连接 和机壳连接 无法保证接地阻抗小的设备 其在外部接地的线和机壳相连 无改善则去掉电路和外壳的连接 上页情况的处理方法之二 和机壳连接 对于无条件接地的设备 去掉电路和外壳的连接 且使其在外部接地的线和外壳相连 对于无条件接地的设备 去掉电路和外壳的连接 采用双绞线的方式传输信号 接口连接器等部位放电问题 对于接口 复位按钮 键盘以及显示屏等部位的放电问题同一类设备 三类设备静电问题处理 绝缘外壳设备 静电试验主要针对绝缘外壳 空气放电 金属连接器的外壳 直接放电 塑胶连接器的外壳 空气放电 面板上的一些复位按钮 拨码开关以及指示灯等部位 静电枪 空气放电头 塑胶外壳 对设备绝缘外壳的空气放电 解决此类问题的原则对策是空间隔离 一般来说 在绝缘物体上空气放电是难以放出来的 但是如果附近有金属件 则空气放电会对该金属件放电 所以 解决此类问题的最有效方法是使设备内部的单板和绝缘外壳有足够的距离 特别是绝缘外壳孔缝附近的pcb板必须和结构孔缝保持足够的距离 l 0 5cm 对金属连接器的外壳接触放电 分两种情况 一 金属外壳不是该连接器内信号线的回流地 如232串口 如下图 采用的处理方法为 单板上划分出pgnd和gnd 连接器金属外壳接pgnd pgnd通过接地电缆接大地 pgnd和gnd无任何连接 每根线对pgnd接tvs管进行静电脉冲抑制 对金属连接器的外壳接触放电 二 金属外壳是信号线的回流地线 如音视频端子等 处理方法有 单板分pgnd和gnd 金属外壳接pgnd pgnd和gnd通过短线和gnd相连 或0欧姆电阻 pgnd通过接地线接大地 信号线对pgnd接tvs管进行静电脉冲抑制 对塑胶连接器的外壳空气放电 对塑胶外壳空气放电实验时 静电枪会对连接器的插针放电 因为距离很近 处理方法是 插针所在的信号线对pgnd并tvs管进行静电抑制 gnd pgnd 对其他部位放电 对复位按钮 拨码开关 键盘 显示屏等部位放电的处理方法同一类设备 实例1 5000按键板在前面壳放电 造成按键板死机 而关键是前面壳是绝缘的 现场也没有看到明显的飞弧等放电迹象 拆机我们发现 在按键板与前壳之间平行放了一块金属板 而这块金属板没有接地是悬空的 这个放电的模型如下图 实例1 实例1 这是一个典型的电场耦合的例子 测试用的静电枪有一个150pf左右的高压电容模拟人体电容 充到8kv然后通过放电探头进行放电 由于悬空金属板的作用 放电探头与按键板之间的分布电容被大大增加了 这块金属板与按键板大小形状完全一致 摆放也完全平行和重合 按键的整个电路都在金属板的覆盖之下 也就是说静电电流可以耦合到按键板上任何电路 可以耦合到电源 地 也可以耦合到复位电路 cpu等敏感电路 最后通过大地回流 后来 我们将这块金属板改成了塑料板 问题解决 实例2 实例2 da6h上对接地柱进行6kv接触放电 造成masimo与nellcor血氧静电复位 这两块板都是外购的板卡 没有隔离电源 因此我们自己做了信号和电源隔离板 隔离板与血氧板正好平行放置 完全重合 正是这种结构造成了受扰问题 其模型如下 实例2 当静电枪对接地柱放电时 大部分放电电流通过电源线中的地线回流了 但是接地线毕竟很长 针对静电这种高频电流还是有一定阻抗的 因此还是会有相当一部分放电电流从其它路径回流 其中一部分就会流到隔离板上 而隔离板与血氧板刚好平行摆放 距离也很近 因此分布电容不小 干扰电流就会耦合到血氧板上的各种敏感电路如信号脚 复位电路 mcu等等 造成spo2复位 实例2 解决办法就是加上屏蔽片将敏感电路包住 屏蔽层接血氧板的地 这样干扰电流就完全耦合到屏蔽层上而不会耦合到敏感电路上 再通过屏蔽层与大地之间的分布电容回流 这里屏蔽层的接地很重要 阻抗要小 如果屏蔽层与地阻抗大 它们就不会在一个电位 所有的敏感电路都是以地为参考点 屏蔽层与敏感电路之间就存在干扰电压 而他们之间分布电容更大 干扰会更容易耦合到到敏感电路中 实例3 还是da6h血氧板的例子 对血氧接口进行8kv的空气放电 影响血氧与主控板通讯 实例3 实例3 血氧板到接口板转接线很长 受整机结构影响 从主控板上方平行通过 另外与主控板到血氧板的通讯线也平行走线 靠得很近 所以静电有可能从三个方面影响系统 一是直接影响到主控板 二是影响到通讯线 三是有可能直接影响到血氧板 具体是哪种当时就没有深究了 但无论是哪种 干扰都必须通过接口板到血氧板的转接线进来 因此就在这根线上套了磁环 磁环是有共模阻抗的 它限制了干扰电流 并能变缓干扰电流的变化沿 最后解决问题 实例4 在9200上 对记录仪的金属部分放电 导致整机复位 这也是一个很经典的问题 问题在于记录仪的金属部分没有搭接钣金导致 其模型如下图 实例4 实例4 很明显 当静电放电时 放电电流会流到记录仪驱动板 在通过记录仪驱动板与主控板连线走到主控板 再回流到钣金再通过分布电容回流 正是因为干扰电流流过了主控板导致系统复位 解决的方法也很简单 就是将记录仪金属部分直接接钣金 这样放电电流就通过另一条支路分流 直接到钣金 而不通过主控板 实例5 6800对接地柱打静电时 usb鼠标和键盘死机 将鼠标和键盘重新插拔上电 也不能恢复 实例5 实例5 静电放电时 会有一部分放电电流 通过usb鼠标和键盘的分布电容回流 虽然连线是差分线和屏蔽线 由于鼠标和键盘线都比较长 因此线对地电容比较大 流经这部分的干扰电流也会比较大 二来线比较长 平衡性难免做得很好 因此数据比较容易受扰 usb hub芯片读到了错误的数据 导致hub芯片工作异常 因此我们采用软件办法解决 当上位机软件不能与usb通讯时 就将hub芯片重新复位 解决问题 实例6 6802在对接地柱 接口等打6kv静电时 会偶发整机复位 查了很久也没查到 后来查辐射时发现主钣金与电源盒接触不良 我们发现了静电问题也是这里引起的 将主钣金与电源盒搭接好后 加大测试电压也不会出现了 实例6 实例6 对接地柱放电时 大部分电流会走地线回去 前面也说过地线的阻抗也不是无穷小 还是会有一部分电流从别的路径走 因为主钣金与电源盒没有接触 会有相当一部分干扰电流从连接器上走到母板 再到主钣金 这就有可能影响主控板 当我们把主钣金搭接起来后 原来流经主控的大部分电流就会直接流到主钣金上了 实例7 2108 巨烽显示器 对如图所示的串口做接触放电时显示器黑屏 分析 从下图可以看出