实例分析ESD电磁兼容问题
本文摘要：（由ai生成）
本文通过实例分析了电子产品在设计中如何防范ESD伤害。智能手表因ESD损坏电容导致反复开关机，通过替换电容和增加GND露铜解决；USB接口外壳ESD干扰敏感信号致黑屏，通过固定PIN并远离敏感信号解决；屏幕朝下时ESD导致黑屏，修改SPI协议解决；USB GND PIN注入ESD致概率性关机，增大电容容值、改进FPC走线解决；屏幕朝下ESD接触放电致TP失效，确保TP接地解决。这些案例为电子产品设计提供了ESD防护的实用策略。
ESD对于很多电子产品是一个致命硬伤，如何设计好产品的ESD，是需要花很多时间和精力来研究的。下面通过几个实例来和大家一起分享下。
根据反复重启的时间判断，类似于长按Power键。检查Power_On信号，发现已经被持续拉低，Power_On信号的原理图如下：
为了降成本，位置1并没有贴TVS管，而是用一个电容代替，电容的耐压值是25V。失效的机器，这个电容已经短路，可以判断ESD进入壳体，直接打坏了位置1的电容。如果把位置1的电容耐压提高到50V，能抗的ESD枪数量会增多，但最终还是会坏。这个项目不是防水的，密封性做得很差，所以才有问题。把位置1的电容换成TVS管，或者位置1不要贴任何东西，在位置2放一个1nF的电容。靠1K电阻+1nF电容来吸收ESD能量。另外，在侧键的FPC附近，增加了GND露铜区域，引导ESD先进入GND。这也是一种低成本的解决方法，如果ESD能量足够大，实测几乎可以把1K电阻打坏。某智能手表在USB接口外壳打ESD造成黑屏死机问题 充电口是Micro-B型USB接口，接触放电±10KV，会出现黑屏，死机，闪屏等现象。将USB信号逐个引出，VBUS，D+，D-都没有出现问题，打ID管脚，会出现类似现象。打GND，会很低概率出现类似现象。遂将问题定位到ID管脚，和GND上。1、USB_ID管脚是悬空的。
2、在L3和L6层，靠近USB接口，有与屏相关的敏感信号。
悬空的ID管脚是知名威胁，静电积累到一定程度，肯定会对周围放电，二次放电的威力更大。USB周围的有敏感信号，在打ESD时，附近的GND电平瞬间局部抬高，尤其是看到USB接口的屏蔽壳跟表层相连，周围没有非常多的过孔打到内层GND，这更加重了GND局部电平的提高，这会干扰到这些敏感信号，导致死机，黑屏，闪屏问题。USB的固定PIN以及GND PIN，只接主GND，不要每一层都接GND。MIPI，LCD_TE，LCD_RST远离USB接口。这是一个SPI接口的显示屏，问题比较简单，一个偶然的机会发现是SPI信号中，CS线被软件强制拉低，且一直处于低的状态，这样是不行的。
实测将CS线的行为改成符合SPI协议，只在传输数据时拉低，这个黑屏的问题解决了。某智能手表在USB的GND PIN上注入接触-8KV静电，会概率关机 直接拆开整机，在主板的不同地方的GND，注入ESD，统计关机的次数，得出一个简单的规律，只有在靠近电池BTB的地方，才会大概率出现，初步判断是ESD干扰了电池周围的信号。电池BTB周围的信号有D+，D-，VBUS，MIPI，BAT_ID，BAT_THERM等，逐个在这些信号上，注入小两级的ESD，比如±2KV，有些信号会导致PMU损坏，有些会导致死机。只有BAT_ID信号会出现关机的现象。
关机有两种可能，一是内部软件流程关机，二是电池突然掉电。尤其是第二种，往往很容易忽略。因为某些情况下，ESD注入两枪，立即就出现了关机现象，这很像是电池掉电了。
电池掉电有两种可能，一是电池保护板保护机制生效，切断了供电。二是Vbat到PMU的通路被打断。排查了主板上的器件，Vbat的通路经过的都是一些模拟器件，可能性比较小。我们直接从主板VBAT飞线，连接到程控电源上，再打ESD的时候，发现就不会关机了。这进一步说明，在注入ESD时，是电池本身没有输出了。
电池保护板的原理图如下：
在图中GND上注入+8KV，没有问题，因为右边的TVS吸收了大部分能量，由于正向导通，钳位电压较低（小于4.4V），电池保护板没有触发保护机制。但是如果注入-8KV，TVS管开始反向钳位，瞬间的钳位电压较高（大于4.4V），超过电池起保护电压，电池触发保护机制，MOS管U2断开，导致关机。下图是TVS管的钳位特性，也能佐证这个结论。
注意电池保护板的保护IC，是判断C1两端的电压，来决定是否起保护的。所以要解决这个问题，需要增大C1的容值。实测将C1增大到1uF，关机的概率明显降低了。降低了，但没有彻底解决问题，肯定还有其他原因。这个原因是先猜出来，然后试验验证的。上文提到只有BAT_ID信号会出现关机的现象。所以猜测静电耦合到了ID管脚，进入PMU导致关机。下面是这次电池保护板的走线，ID的走线与GND有较长的耦合长度，GND上的瞬间能量能很快耦合到这根线上，最终直接进入到PMU。
虽然主板上ID走线也跟GND有很长的耦合距离，但是主板上的GND与Vbat之间有TVS钳位，GND的电压不至于跳变太厉害，也不会耦合很多能量到ID线上。反而是电池FPC上的GND电平跳动最大，ID线在FPC上耦合的能量更多。FPC改版成如下样式，ID和GND基本没有重叠区域，能量也不会耦合到ID管脚上，再也没有出现过关机问题。经检查，确定是TP IC被打坏。没有仔细分析IC损坏的原因，因为发现TP FPC背后的双面导电胶太弱，根本没有粘到GND上。TP没有很好接地，导致了这个问题。
只要TP接地良好，就肯定不会出现TO IC失效问题。
