EMC調(diào)試案例（二）：靜電放電出現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位問題分析與調(diào)試
某款Sound Bar產(chǎn)品±4KV接觸放電出現(xiàn)自動關(guān)機(jī)現(xiàn)象分析與調(diào)試
圖1：產(chǎn)品形態(tài)圖
01、問題現(xiàn)象描述
某款Sound Bar產(chǎn)品自帶藍(lán)牙、AUDIO IN、SPDIF_IN、USB功能，可以通過手機(jī)連接藍(lán)牙播放音樂，也可以通過AUDIO IN端口、SPDIF_IN端口、USB接口播放音樂。在使用手機(jī)連接藍(lán)牙播放音樂狀態(tài)下進(jìn)行±4KV接觸放電時出現(xiàn)自動關(guān)機(jī)現(xiàn)象，重新開機(jī)后可以正常連接藍(lán)牙播放音樂。
客戶在認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)問題現(xiàn)象后，付費(fèi)委托我司進(jìn)行整改，客戶提供整改樣機(jī)、產(chǎn)品原理圖、PCB Layout圖。
02、問題現(xiàn)象確認(rèn)
收到樣機(jī)后，在公司實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行±4KV靜電放電測試，問題現(xiàn)象與客戶反饋現(xiàn)象基本保持一致。分別使用USB端口、SPDIF_IN端口、AUDIO_IN播放音樂，進(jìn)行±4KV接觸放電測試時，也會出現(xiàn)快速進(jìn)入自動待機(jī)模式現(xiàn)象，初步確認(rèn)靜電放電出現(xiàn)自動待機(jī)問題與產(chǎn)品的工作模式無關(guān)。
03、問題現(xiàn)象分析
根據(jù)產(chǎn)品電路原理框圖，如圖2所示可知，MCU芯片是電路的核心，通過總線與其它電路模塊相連，系統(tǒng)出現(xiàn)關(guān)機(jī)，且按鍵遙控可以正常開機(jī)，說明系統(tǒng)沒有宕機(jī)。引起系統(tǒng)自動關(guān)機(jī)的原因主要有：
2系統(tǒng)供電電源跌落，引發(fā)系統(tǒng)重啟，導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)機(jī)
2系統(tǒng)按鍵被誤觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)機(jī)
2MCU芯片復(fù)位信號被干擾，引起系統(tǒng)復(fù)位，導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)機(jī)
2MCU芯片其它信號被干擾，引起系統(tǒng)復(fù)位，導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)機(jī)
圖2：產(chǎn)品電路原理框圖
04、問題分析與調(diào)試過程
供電電源穩(wěn)定性排查
根據(jù)問題現(xiàn)象分析，首先進(jìn)行系統(tǒng)供電電源穩(wěn)定性的排查，系統(tǒng)采用DC12V電源輸入，經(jīng)過12V轉(zhuǎn)5V DC-DC，經(jīng)過5V轉(zhuǎn)3.3V LDO與5V轉(zhuǎn)1.8V LDO輸出給MCU供電，即MCU是通過線性穩(wěn)壓輸出供電，LDO IC抗干擾能力相對較強(qiáng)，受到靜電放電干擾的概率非常少，對12V轉(zhuǎn)5V DC-DC進(jìn)行排查，使用穩(wěn)壓電源替代12V DC-DC電源后，進(jìn)行靜電放電測試問題現(xiàn)象依舊，基本排除供電電源受靜電放電干擾的可能性。
按鍵控制信號排查
正查開機(jī)后將按鍵控制信號連接線纜移除，進(jìn)行靜電放電測試問題現(xiàn)象仍然存在；將按鍵信號靠近MCU IC引腳處斷開，只保留遙控功能，進(jìn)行靜電放電測試問題現(xiàn)象也存在；基本排除是按鍵控制信號受到靜電放電干擾導(dǎo)致系統(tǒng)自動關(guān)機(jī)的可能性。
復(fù)位信號排查
根據(jù)原理圖復(fù)位電路設(shè)計，可知復(fù)位電路是采用RC電路，上電瞬間電容被充電復(fù)位信號的電平被拉低，電容充滿電后復(fù)位信號恢復(fù)高電平，即系統(tǒng)完成復(fù)位動作。用鑷子來短路復(fù)位信號電容,觀察出現(xiàn)的問題現(xiàn)象同靜電放電時的現(xiàn)象基本相同。
檢查PCB Layout設(shè)計，發(fā)現(xiàn)復(fù)位信號上的濾波電容放置位置距離MCU IC復(fù)位信號的引腳較遠(yuǎn)，復(fù)位信號濾波電容構(gòu)成的濾波環(huán)路面積則相對較大，靜電放電過程中產(chǎn)生的高頻噪聲則較容易在其環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)噪聲，導(dǎo)致復(fù)位信號誤動作，引發(fā)系統(tǒng)復(fù)位出現(xiàn)自動關(guān)機(jī)現(xiàn)象。
圖3：復(fù)位信號PCB Layout布線圖
將復(fù)位信號遠(yuǎn)端的濾波電容拆掉，在靠近MCU IC復(fù)位引腳處增加0.1uF/25V的濾波電容，然后進(jìn)行±4KV接觸放電測試，自動關(guān)機(jī)現(xiàn)象消失，測試結(jié)果PASS，修改方案如下圖所示：
圖4：復(fù)位信號濾波電容靠近MCU IC引腳放置
05、問題產(chǎn)生的根因分析
由于產(chǎn)品采用純塑膠結(jié)構(gòu)設(shè)計，無完整的金屬平面作為參考地與靜電電流泄放路徑，靜電放電電流只能從板卡的參考地平面回流到DC-IN電源，從電源回流到電源PE的參考地平面，再通過PE參考地返回靜電放電源頭。
靜電放電產(chǎn)生的高頻電流在板卡地平面流動時，由于高頻下地平面寄生電感的存在，高頻靜電電流流過板卡參考地平面時會引發(fā)參考地平面的地電位的快速波動；而由于復(fù)位信號布線較長，構(gòu)成的濾波環(huán)路面積較大，容易感應(yīng)靜電放電噪聲，觸發(fā)復(fù)位信號后引起系統(tǒng)的誤復(fù)位，進(jìn)入自動待機(jī)模式。
圖5：復(fù)位信號濾波電容位置調(diào)整前后濾波環(huán)路面積對比
06、問題解決方案
在MCU芯片靠近復(fù)位引腳處增加0.1uF/0402電容,利用電容兩端電壓不能突變?yōu)V波原理特性，進(jìn)行瞬間電壓鉗位，吸收地電位快速波動產(chǎn)生的干擾電平。
【案例思考與總結(jié)】
復(fù)位信號是芯片非常重要且敏感的信號，其工作可靠性直接影響芯片工作的穩(wěn)定性。復(fù)位信號的電路設(shè)計時應(yīng)充分考慮其抗干擾能力，例如：增加ESD元件預(yù)留。復(fù)位信號的PCB布線應(yīng)避免靠近ESD測試點(diǎn)，TVS元件、濾波電容元件、上拉電阻元件應(yīng)靠近芯片復(fù)位信號引腳放置。
