EMC调试案例（五）:某产品通过优化单板叠层设计解决 ESD 问题案例
文摘
科学
2024-08-09 08:04
陕西
01、问题描述
某塑料壳体平板产品，在进行ESD放电实验时，空气放电±8kV测试时产品死机，需要断电重启才能恢复正常，实验不通过。 查看产品结构，塑料壳体，使用四层单板，层叠顺序 TOP-GND-POW-BOT，顶层信号以第二层地平面做为回流参考平面，底层信号以第三层电源平面做为参考回流平面，如图 1 所示：图中，深蓝为底层布线，浅蓝为第三层电源平面，产品为数字产品，根据整机的故障现象，怀疑高速DDR对静电比较敏感，PCB 设计时，DDR信号选择顶底层布线，分别参考不同回流平面，环路比较大容易受ESD静电干扰。 将静电枪电压调低到500V，直接用静电枪枪头对高速DDR布线放电，此时问题可以复现，因此判断是DDR信号受静电干扰导致死机。 根据电流沿最小阻抗路径回流到源的原则和电流必须形成环路的原则，信号环路面积越小空间辐射能力越弱，耦合外部噪声干扰的能力就越弱。反之，信号环路面积越大空间辐射能力就越强，耦合外部噪声干扰的能力就越强，具体示意如图 2 所示：信号的传输路径是由两条相反的路径构成，一条是驱动路径，由驱动端指向 接收端，一条是返回路径，由接收端指向发送端，即任何电路既有信号路径又有 回流路径。多层板电源平面和地平面都可以做为信号的回流路径，根据微带线原 理，微带线因为信号布线与参考平面之间紧密耦合的缘故，回返电流会在参考平 面上布线的直接正下方（或正上）流动，因此本产品四层板信号回流路径如图 3 所示： 从图 3 可以看出，顶层布线层信号回路就近参考 GND 平面，而底层布线层信号回流就近参考POW平面，电源平面和地平面由于电气属性不同，此时信号回流 不能从一个平面回到另一个平面，如图 4 所示：从图4可以看出，参考不同平面的回返电流路径中断，此时回返电流将流经不可预期的路径，增大DDR布线环路面积，环路越大接收电磁场能力越强将增大EMC风险。 设计师也考虑到这个问题，在信号换层处附近的电源和地增加电容进行桥接，如下图5所示：通过分析信号回流路径，并调整信号换层处回流路径的桥接电容参数，无明显改善，判断不是信号回流路径环路面积较大，引起的耦合问题。深入分析发现PCB背面靠近空气放电测试点，而空气放电瞬间会产生较强的空间电场辐射。考虑到这种情况，在PCB底层布线上增加金属屏蔽壳体并接地，来屏蔽电场，静电放电测试结果顺利通过，确认是静电放电过程中的电场耦合。调整单板层叠结构为TOP-GND-SIG-POW，如图6所示。 从图6可以看出调整单板层叠结构后，TOP信号仍然参考第2层地平面，第3层的信号布线参考BOTTOM层电源平面，第2层参考地平面与BOTTOM层电源平面仍然通过电容桥接换层处的信号回流路径，信号的参考平面未做任何改变。利用电源平面低阻抗的特性来实现屏蔽电场的目的。修改PCB Layout后，±8kV空气放电测试顺利通过，实现低成本解决方案。 静电放电过程中产生的空间场噪声耦合，是静电放电干扰进入敏感设备、敏感信号、敏感电路的重要路径，产品设计阶段可以通过敏感源与静电放电测试点之间的距离、空间屏蔽的方式规避问题，也可以通过调整PCB Layout叠层设计来规避。 ![]()
