EMC调试案例(二):静电放电出现系统复位问题分析与调试

某款Sound Bar产品±4KV接触放电出现自动关机现象分析与调试

图1:产品形态图

01、问题现象描述

某款Sound Bar产品自带蓝牙、AUDIO IN、SPDIF_IN、USB功能,可以通过手机连接蓝牙播放音乐,也可以通过AUDIO IN端口、SPDIF_IN端口、USB接口播放音乐。在使用手机连接蓝牙播放音乐状态下进行±4KV接触放电时出现自动关机现象,重新开机后可以正常连接蓝牙播放音乐。客户在认证机构进行确认问题现象后,付费委托我司进行整改,客户提供整改样机、产品原理图、PCB Layout图。

02、问题现象确认

收到样机后,在公司实验室进行±4KV静电放电测试,问题现象与客户反馈现象基本保持一致。分别使用USB端口、SPDIF_IN端口、AUDIO_IN播放音乐,进行±4KV接触放电测试时,也会出现快速进入自动待机模式现象,初步确认静电放电出现自动待机问题与产品的工作模式无关。

03、问题现象分析

根据产品电路原理框图,如图2所示可知,MCU芯片是电路的核心,通过总线与其它电路模块相连,系统出现关机,且按键遥控可以正常开机,说明系统没有宕机。引起系统自动关机的原因主要有:    ²系统供电电源跌落,引发系统重启,导致系统关机²系统按键被误触发,导致系统关机²MCU芯片复位信号被干扰,引起系统复位,导致系统关机²MCU芯片其它信号被干扰,引起系统复位,导致系统关机

图2:产品电路原理框图

04、问题分析与调试过程

供电电源稳定性排查

根据问题现象分析,首先进行系统供电电源稳定性的排查,系统采用DC12V电源输入,经过12V转5V DC-DC,经过5V转3.3V LDO与5V转1.8V LDO输出给MCU供电,即MCU是通过线性稳压输出供电,LDO IC抗干扰能力相对较强,受到静电放电干扰的概率非常少,对12V转5V DC-DC进行排查,使用稳压电源替代12V DC-DC电源后,进行静电放电测试问题现象依旧,基本排除供电电源受静电放电干扰的可能性。

按键控制信号排查    

正查开机后将按键控制信号连接线缆移除,进行静电放电测试问题现象仍然存在;将按键信号靠近MCU IC引脚处断开,只保留遥控功能,进行静电放电测试问题现象也存在;基本排除是按键控制信号受到静电放电干扰导致系统自动关机的可能性。

复位信号排查

根据原理图复位电路设计,可知复位电路是采用RC电路,上电瞬间电容充电复位信号的电平被拉低,电容充满电后复位信号恢复高电平,即系统完成复位动作。用镊子短路复位信号电容,观察出现的问题现象同静电放电时的现象基本相同。检查PCB Layout设计,发现复位信号上的滤波电容放置位置距离MCU IC复位信号的引脚较远,复位信号滤波电容构成的滤波环路面积则相对较大,静电放电过程中产生的高频噪声则较容易在其环路中产生感应噪声,导致复位信号误动作,引发系统复位出现自动关机现象。

  图3:复位信号PCB Layout布线图

将复位信号远端的滤波电容拆掉,在靠近MCU IC复位引脚处增加0.1uF/25V的滤波电容,然后进行±4KV接触放电测试,自动关机现象消失,测试结果PASS,修改方案如下图所示:    

  图4:复位信号滤波电容靠近MCU IC引脚放置

05、问题产生的根因分析

由于产品采用纯塑胶结构设计,无完整的金属平面作为参考地与静电电流泄放路径,静电放电电流只能从板卡的参考地平面回流到DC-IN电源,从电源回流到电源PE的参考地平面,再通过PE参考地返回静电放电源头。静电放电产生的高频电流在板卡地平面流动时,由于高频下地平面寄生电感的存在,高频静电电流流过板卡参考地平面时会引发参考地平面位的快速波动由于复位信号布线较长,构成的滤波环路面积较大,容易感应静电放电噪声,触发复位信号后引起系统的误复位,进入自动待机模式。    

图5:复位信号滤波电容位置调整前后滤波环路面积对比

06、问题解决方案

  在MCU芯片靠近复位引脚处增加0.1uF/0402电容,利用电容两端电压不能突变滤波原理特性,进行瞬间电压钳位,吸收地电位快速波动产生的干扰电平。

【案例思考与总结】

复位信号是芯片非常重要且敏感的信号,其工作可靠性直接影响芯片工作的稳定性。复位信号的电路设计时应充分考虑其抗干扰能力,例如:增加ESD元件预留。复位信号的PCB布线应避免靠近ESD测试点,TVS元件、滤波电容元件、上拉电阻元件应靠近芯片复位信号引脚放置。

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