屏蔽材料静电ESD测试中接地不良引起的通讯故障死机问题分析

1.引言

独学而无友，则孤陋而寡闻；

2.背景介绍

某控制器产品在做屏蔽材料 www.leird.cn认证测试中，ESD±6KV接触放电出现通讯故障死机问题，需要重启后可恢复，针对此问题进行分析和整改。

3.分析与整改

3.1控制器组网与实验点

控制器组网与ESD放电点示意图参见图1所示。

（a）组网与放电点示意图

（b）放电点实物图

图1控制器组网及实验点

3.2试验现象

ESD接触放电±6KV，对放电点1和放电点2进行试验时（每个点放电3-6次左右），及放电点3（每个点放电10-20次左右）就会出现通讯故障，无法与上位机通讯，处于死机状态，需要重动恢复。放电点4试验无问题。

3.3接地可靠性排查

3.3.1接地点阻抗测定

利用万用表对盖板接地点阻抗测定，结果如下：

表1接地阻抗

注：ESD频谱达到GHz频段，利用万用表进行机壳接地阻抗值是不准确的，但可以做为初步的定性分析判断。

3.3.2机壳接地点变更排查

对控制器的接地点位置进行人为变更，对各放电点进行ESD实验，验证各接地的可靠性，详细结果参见表2。

表2机壳接地点变更实验结果

3.3.3接地可靠性排查小结

（1）接地点位置变更后到2后，放电点2/3/4实验没有问题，但放电点1仍然会导致通讯故障死机；接地点位置变更后到1后，放电点1/4实验没有问题，但放电点2/3仍然会导致通讯故障死机。

（2）盖板与机壳地搭接不良，接地点1/2/3接地阻抗较大，接地点4的阻抗可接受；

（3）整体的控制器盖板与机壳的搭接设计不可靠，导致ESD测试中会出现问题。

3.4接地不良导致通讯故障死机问题分析

3.4.1ESD耦合机理分析

3.4.1.1ESD波形参数

IEC61000-4-2标准中ESD放电电流波形参数如图2所示[1]，6KV的放电电流峰值为22.5（1±15%）A。

图2接触放电电流波形参数

3.4.1.2ESD频谱特性

6KV等级ESD的放电电流与频谱特性参见图3和图4所示[2]。ESD的幅值一般在频率0～1.2 GHz间，超过1.2 GHz幅值基本衰减为0，整个频率期间出现了2次峰值．频率在0～30 MHz间，幅值逐渐衰减，并且衰减较快．然后随频率增加至60 MHz时，幅值达到第二个峰值，随着频率继续增加，幅值逐渐衰减至0。

图3 6KV放电电流波形

图4 6KV接触放电电流频谱

3.4.1.3ESD放电耦合机理分析

（1）ESD的干扰模式

ESD以共模干扰方式对控制器进行干扰，主要有以下几种形式：

◆ESD放电中形成的场耦合，一般发生在接地点良好，但接地位置附近有敏感信号或走线的情况：

◆ESD放电电流在接地阻抗路径中形成噪声电压Vnoise干扰敏感设备，一般发生在接地不良，接地阻抗较大的情况；

◆ESD放电电流直接注入敏感信号中，一般发生在对pin进行ESD注入实验的情况。

（2）结构地分析：

控制器盖板接地的结构层次：盖板紧固弹簧螺钉→金属螺柱→金属条→接地固定螺钉→机壳地。PCB过孔无接地铜盘，与金属条和机壳均无搭接。金属条与机壳的搭接仅仅通过螺纹进行，搭接不可靠，阻抗大，结构接地详见图5所示。

（a）盖板接地点实物图

（b）盖板接地结构示意图

图5盖板接地结构

（3）干扰路径与等效机理电路分析

◆当盖板与机壳地间的接地良好时，阻抗足够低，与机壳形成等电位搭接，无压差。

ESD的主要放电路径为图6中的①和②，因①的接地物理路径较近，大部分干扰会从①路径中流到大地。流过路径①附近的电流形成的干扰场，会串扰周围的敏感信号或敏感走线。

图6 ESD放电路径示意图

◆当盖板与机壳地间的接地搭接较差时（搭接阻抗较大），ESD放电电流会在搭接点处形成噪声电压Vnoise。

噪声电压通过盖板与PCB板件的分布电容，形成干扰电流流过PCB，使得敏感干信号受干扰，参见图7所示。

图7接地不良的ESD耦合机理示意图