[現象描述]

 

某接地臺式產(chǎn)品，對接地端子處進(jìn)行測試電壓為6KV的ESD接觸放電測試時(shí)，系統出現復位現象。測試中嘗試將接地端子與內部數字工作地相連的 Y電容斷開(kāi)，測試結果并未明顯改善。

 

[原因分析]

 

ESD干擾進(jìn)入產(chǎn)品內部電路，形式多種多樣。對于本案例中的被測產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其測試點(diǎn)為接地點(diǎn)，大部分的ESD干擾能量將從接地線(xiàn)流走， 也就是說(shuō)ESD電流并沒(méi)有直接流入該產(chǎn)品的內部電路，但是，處在IEC61000-4-2標準規定的ESD測試環(huán)境中的這個(gè)臺式設備，其接地線(xiàn)長(cháng)度在1m左右，該接地線(xiàn)將產(chǎn)生較大的接地引線(xiàn)電感（可以用1u H/m來(lái)估算），在靜電放電干擾發(fā)生時(shí)（即圖1中開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)），高的頻率（下于1ns的上升沿）靜電放電電流并不能使該被測產(chǎn)品接地點(diǎn)上的電壓為零（即圖1 中G點(diǎn)的電壓在K閉合時(shí)并不為零）。這個(gè)在接地端子上不為零電壓將會(huì )進(jìn)一步進(jìn)入產(chǎn)品內部電路。圖1已經(jīng)給出了ESD干擾進(jìn)入產(chǎn)品內部PCB的原理圖。

 

圖 1  ESD干擾進(jìn)入產(chǎn)品內部PCB的原理圖

 

從圖1中還可以看出，CP1:（放電點(diǎn)與GND之間的寄生電容），Cp2：（PCB板與參考接地板之間的寄生電容），PCB板的工作地（GND）和靜電放電槍?zhuān)òo電放電槍接地線(xiàn)）一起形成了一條干擾通路，干擾電流為ICM。在這條干擾路徑中，PCB板處在其中，顯然PCB在此時(shí)受到了靜電放電的干擾。    如果該產(chǎn)品還存在其它電纜，這種干擾將更為嚴重。

 

干擾是如何導致被測產(chǎn)品復位的呢，經(jīng)過(guò)仔細檢查被測產(chǎn)品的PCB之后發(fā)現，該PCB板中CPU的復位控制線(xiàn)布置在PCB板的邊緣，并且在GND平面之外，如圖2所示。

 

再來(lái)解釋一下為何布置在PCB邊緣的印制線(xiàn)比較容易受到干擾，那應該從PCB板中的印制線(xiàn)與參考接地板之間的寄生電容談起。印制線(xiàn)與參考接地板之間存在寄生電容，這個(gè)寄生電容將使PCB板中的印制信號線(xiàn)受到干擾，共模干擾電壓干擾PCB中印制線(xiàn)原理圖如圖3所示。

 

從圖3可以看出，當共模干擾（相對與參考接地板的共模干擾電壓）進(jìn)入GND后，會(huì )在PCB板中的印制線(xiàn)和GND之間產(chǎn)生一個(gè)干擾電壓，這個(gè)干擾電壓不但與印制線(xiàn)與PCB板GND之間的阻抗（圖3中的Z）有關(guān)還有PCB中印制線(xiàn)與參考接地板之間的寄生電容有關(guān)。

假設印制線(xiàn)與PCB板GND之間的阻抗Z不變，則,當印制線(xiàn)與參考接地板之間的寄生電容越大時(shí)，在印制線(xiàn)與PCB板GND之間的干擾電壓Vi越大，這個(gè)電壓與PCB中的正常工作電壓相疊加，將直接影響PCB中的工作電路。

 

圖2    被測產(chǎn)品局部PCB布線(xiàn)實(shí)圖

 

圖3 共模干擾電壓干擾PCB中印制線(xiàn)原理圖

 

由印制線(xiàn)與參考接地板之間的寄生電容計算公式1 可知，印制線(xiàn)與參考接地板之間的寄生電容大小取決于印制線(xiàn)與參考接地板之間的距離(即公式1中的H)和印制線(xiàn)與參考接地板之間形成電場(chǎng)的等效面積(即公式1中的S)。

 

Cp ≈ 0.1 x S / H                    （1）

 

Cp : 寄生電容 [pF]

 

S : 印制線(xiàn)等效面積 [cm2]

 

H : 高度 [cm]

 

當印制線(xiàn)布置在PCB板邊緣時(shí)，該印制線(xiàn)與參考接地板之間將形成相對較大寄生電容，因為布置在PCB內部的印制線(xiàn)與參考接地板之間形成的電場(chǎng)被其它印制線(xiàn)所“擠壓”，而布置在邊緣的印制線(xiàn)與參考接地板之間形成的電場(chǎng)且相對比較發(fā)散。圖4為印制線(xiàn)與參考接地板之間電場(chǎng)分布示意圖。

 

圖4 印制線(xiàn)與參考接地板之間電場(chǎng)分布示意圖

 

顯然，對于本案例中的電路設計，由于PCB中的復位信號線(xiàn)布置在PCB板的邊緣并且已經(jīng)落在GND平面之外，因此復位信號線(xiàn)會(huì )受到較大的干擾，導致ESD測試時(shí)，系統出現復位現象。

 

【處理措施】

 

根據以上的原理分析，很容易得出以下兩種處理措施：

 

1、 重新進(jìn)行PCB布線(xiàn)，將復位信號印制線(xiàn)在PCB上左移，使其在GND平面覆蓋的區域內，而且遠離PCB板邊緣，同時(shí)為了進(jìn)一步降低復位信號印制線(xiàn)與參考接地板時(shí)間的寄生電容，可以在復位信號印制線(xiàn)所在的層（本案例為4層板，復位信號線(xiàn)布置在表層）上空余的地方鋪上GND銅箔（通過(guò)大量過(guò)孔與相鄰GND平面相連），如圖5所示。

 

圖5 修改后的復位信號線(xiàn)布置PCB實(shí)圖

 

2、在受干擾的復位印制線(xiàn)上，靠近CPU復位管腳的附近并聯(lián)一個(gè)電容，電容值可以選在100pf～1000pf之間。

 

 

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