1、样机(BCM68385)篝火静电试验,水平耦合 /-6KV测试fail;
2.具体性能如下:设备:GE和FE两个网口打流,语音口接电话,电话摘机,水平耦合 /-6KV静电测试,一两枪设备就挂死(现象:PON此时指示灯总是亮着SMARTBIT上显示打流仍然正常;拔光纤,LOS灯不亮,
PON灯还常亮,再插上光纤,SMARTBIT显示打流异常)。
2.问题分析及实验对策
2.1问题分析:
1.设备形式为倒扣式,外壳主板设备面朝下,与水平耦合板平行,敏感信号易受影响。
2.确认静电敏感部位和异常模块:故障时,PON灯常亮,需要确认CPU挂死还是BOB部分出现异常;另外、板子上那些部位对静电比较敏感;
3.系统死亡通常是由电源、时钟和复位信号异常引起的。关键是要保护系统中的这些重要信号;
4.干扰静电敏感的外部接口信号:例如JTAG接口、UART引出但未端接的接口BoardID接口(GPIO)等;另外,IO接口上下拉强度不足也会导致干扰时电平异常,进而导致系统异常;
5.高速信号信号完整性差导致系统抗干扰性差:如DDR3.静电干扰信号,导致信号异常,数据混乱;
6.软件问题:如果软件有容错机制,刷新、检查和重写系统状态;
2.2实验对策与验证:
1.设备死机时,插入光纤并进行测试RX_SD信号会发生变化(插入光纤为高电平,拔出光纤为低电平)BOB有些电路正常,PON灯常亮是CPU不响应RD_SD由信号变化引起连接串口,发现串口没有信息输出,也没有相应的外部输入,说明系统已经死亡;
2.确定板的敏感区域:通过局部测试确认板的敏感区域如下图所示;

如上图所示:红框区域非常敏感,表明板整体较弱,对静电严重敏感;该区域包括电源、时钟、复位等重要电路DDR3.这种高速数字电路;任何部分干扰都可能导致系统异常;
3.电源对策:
分析:通过对电源部分的上述整改,发现系统1.0VD电路输出端增加2000uf电容、抗静电有很大提高,但仍不能完全通过6kV静电测试,调整电源芯片反馈RC电路和反馈电阻,调整电源芯片的动态响应,提高静电性能,但可能导致电源芯片环路不稳定,需要仔细更改和验证相关性。
4.时钟对策:
注:从上述时钟电路的整改对策中,可以发现时钟电路受到静电干扰,但时钟电路不是系统死亡的根本原因;
5.复位对策:
注:由于试验中没有复位现象,基本认为不是主复位电路的问题,通过第一次试验,发现死亡非常彻底;其他对策只是尝试;
6.其他对策:
说明:项目中UART和JTAG接口对干扰敏感,对接口采取对策,大大提高了整机的静电性能;DDR部分主要考虑高速信号的完整性,因为PCB没有按照设计Demo设计对信号进行包地处理;从采用屏蔽措施得到的效果看,DDR部分信号抗静电干扰能力较弱,基本判断为DDR信号干扰;
DDR部分信号抗静电干扰能力较弱,基本判断为DDR静电测试失败的主要原因是信号干扰;
思考:实际测试时,会DDR只屏蔽了一半。当屏蔽铜箔接地点较少时,发现试验不一定通过。增加屏蔽铜箔接地点后,发现试验可以稳定通过;因此,是的DDR屏蔽提高了DDR信号的抗干扰性也改变了整个信号PCB地平面环路,这两种变化对静电性能有很大的改善?在测试过程中,将直接进行测试PCB地面导线直接连接到地面,无法通过测试。
A:当测试不能通过时,放置网线 B:当测试通过时,可以放置网线
C:DDR屏蔽图
综上所述:根据上述试验情况,判断板的静电问题主要是DDR部分信号完整性问题和电地完整性问题,不能在原始基础上直接整改,只能改变板;此外,从验证和以往经验来看,电源芯片MP1470/71本身对静电干扰也很敏感。可以考虑采用抗干扰性能好的芯片验证,改版时注意电源部分的兼容设计。
3.修改实施和效果验证
全务静电测试:+6KV Pass,-6KV Fail;
通过局部验证法,验证发现,V0.02样机比较敏感的地方在1.0VD电源区域,如下图红色框内:
实验对策(V0.02版本)
说明:从测试情况看,加快电源芯片反馈的动态响应速度,增大电源输出电容,可以解决耦合静电
问题;尤其是对负压的静电有效,这说明在静电耦合测试时,板上的电源受到了干扰,若板上输出电容和滤波电容不足以吸收掉这些干扰,电源或地平面就会出现电压异常,对后级系统造成影响;此时就需要电源快速调节输出,保证系统电源正常;
对于增大电源芯片输出电容的方式,通过进一步的排除测试,确认只需要将V1.0VD电源的输出电容增加到1000uf即可解决静电问题。
实施方案1: MP1470\1471芯片的RC反馈回路参数调整为10NF+100ohm,电源输出电容为2*22uf。
实施方案2:MP1470\1471芯片的RC反馈回路参数不调整,电源输出电容为2*100uf.或将V1.0VD电源的输出电容增加到1000uf即可。
4、可靠性分析与验证
1、第一种方案整改存在的风险:调整电源的前馈电容C、减小反馈电阻Rt都是加快电源动态响应速度方法。
厂家提供的判断电源系统是否未定的依据是芯片SW输出波形是否出现大小波情况;如下图所示:
MPS厂商认为如果SW输出波形出现大小波,表示电源系统存在很大的不稳定性;测试我们板上的4路电源,发现在1.0VD输出端出现上述波形;
通过更改输出电容发现,当输出电容为2*22uf时,不会出现上述情况,当输出电容大于等于2*47uf。
时会出现上述情况。
2.第二种整改方案主要是影响快速开关机,经过整改样机验证,快速开关机并无问题。
3.综合成本和整改方便性考虑,采用将V1.0VD电源的输出电容增加到1000uf的方式。
5、案例总结
Ø 由于结构设计问题,主要芯片所在的TOP层在实际产品中全部朝下正对着静电耦合板,这样在芯片全部暴露在耦合板所形成的强电场中,这是产生本次静电问题的一个很大因素,对于本项目,设计初期,我们有关注到热问题和EMI问题,但是对ESD问题没有过多的关注;
Ø 个人认为静电问题是EMC中最让人琢磨不透的问题,主要是其耦合、放电路径不确定,导致定位困难;同时,针对问题所下的每一个对策,都有可能改变干扰路径;例如:对于耦合板,主要是强电场的干扰,我们假定静电放电电流从正向负流动,那么正电压放电的时候,电流从静电枪流向被测物上相对电压低且路径通畅的地方,负电压放电的时候,电流从被测物上相对电压高的地方沿通畅路径流向枪;
Ø 任何系统中的模拟电路部分(电源、时钟、复位)都是非常重要的电路,定位问题时需要充分考虑这些电路出现异常,及出现什么样的情况会导致故障的现象;
Ø 两层板设计中,地平面是非常重要的,在PCB设计时一定要尽量保证地的完整性,尤其是DDR,Serdes等高速信号下方;