如何解决显示屏ESD问题的案例分享
1.问题描述
某工业显示屏在进行esd静电放电测试时，对网口、usb、串口打±6kv接触放电，每次试验系统液晶屏出现蓝屏现象，系统死机，重新上电后可以恢复，实验不通过。
本问题已经历经半年，期间客户公司内部以及方案公司进行过v1.0-v1.31共4次改板，投入了大量人力物力仍未解决，时间刻不容缓。
2.故障诊断
考虑到本板历次分别从接地、滤波、隔离等方面对单板进行了设计整改，均未改善，怀疑单板有esd薄弱点，因此本次确定采用敏感源头诊断和整改的方案，从源头彻底解决问题。
根据实验现象分析，判断为cpu功能单元受到干扰，分析核心子板（cpu模块电路）管脚各信号，从实践经验、信号功能等角度分析，判断表1罗列的信号比较敏感，易受静电干扰。
表1 易受esd干扰的敏感信号
序号 网络名称 信号功能 对esd敏感
1 lcd_hsync 液晶屏行同步信号 yes
2 lcd_vsync 液晶屏场同步信号 yes
3 i2c_sda i2c总线双向数据信号 yes
4 i2c_clk i2c总线时钟信号 yes
5 lcd_en 液晶屏使能信号 yes
6 lcd_clk 液晶屏时钟信号 yes
7 vcc_3v3_mpu mpu单元3.3v电源 yes
8 edp_reset edp接口复位信号 yes
将esd静电枪电压分别调至100v、300v、600v和1000v，分别对核心子板表1所示的信号管脚做接触放电，查找esd敏感信号，如图1所示。
图1 接触打ic管脚
实验中问题没有复现，因此排除这些信号产生的问题，试验记录如表2所示。
表2 esd敏感信号验证结果
序号 网络名称 100v 300v 600v 1000v
1 lcd_hsync 正常 正常 正常 正常
2 lcd_vsync 正常 正常 正常 正常
3 i2c_sda 正常 正常 正常 正常
4 i2c_clk 正常 正常 正常 正常
5 lcd_en 正常 正常 正常 正常
6 lcd_clk 正常 正常 正常 正常
7 vcc_3v3_mpu 正常 正常 正常 正常
8 edp_reset 正常 正常 正常 正常
继续分析核心子板上敏感电路，当对敏感信号ddr_clk 100v接触放电时问题复现，且每次放电问题都可以复现。
ddr_clk布线4mil，且布线未预留焊盘，整改手段有限，为了确定静电辐射电磁场对ddr_clk时钟信号有无影响，则使用1根金属接地线，放在ddr_clk线正上方，用静电枪打接地线铜鼻子，如图2所示。
图2 接触打接地线铜鼻子
按图3所示的方法，6kv接触放电时，5次放电问题都能复现，因此确认静电电磁场辐射对ddr_clk信号和ddr器件有影响，此时使用铜箔将核心板区域屏蔽并接地，保护ddr敏感信号和模块，如图3所示。
图3 核心板模块屏蔽
将核心板模块区域屏蔽后，对i/o接口进行接触放电正负6kv、8kv、10kv，每次连续40次放电，系统均运行正常，问题解决，因此确定为核心板受静电干扰导致整机死机。
3.原因分析
继续验证确定整机esd为辐射耦合or容性耦合，经分析，系统静电放电泄放途径为i/o接口——单板pgnd——金属衬板——金属机箱——机箱盖板——接地线，如图4所示。
图4 整机静电泄放途径
当将机箱盖板与金属机箱不拧螺丝时或者机箱盖板不盖时，发现此时静电放电无问题，因此排除辐射耦合，那么此时静电泄放途径为i/o接口——单板pgnd——金属衬板——金属机箱，则相当于核心板ddr敏感部位与机箱盖板无静电容性耦合（两者距离很近），如图5所示。
图5 去掉后盖整机静电泄放途径
综上整机核心子板静电耦合简易模型如图6所示。
图6 核心子板静电耦合模
诊断时核心子板加屏蔽罩后此时静电耦合模型如图7所示。
图7 核心子板静电耦合模型
从图8可以看出，核心子板加屏蔽罩后，机箱后盖板静电能量直接耦合到金属屏罩并通过屏蔽罩接地引脚到gnd，从而避免esd直接耦合到敏感的ddr模块，问题得以解决。因此根据以上分析，为机箱后盖板静电干扰容性耦合至ddr模块电路导致esd问题。
4.整改措施
因核心子板是客户公司平台化产品，模块上ddr电路又极其敏感，推荐主板采用屏蔽罩屏蔽敏感核心子板模块的方案量产，本方案简单易行，成本增加不到0.5元，效果可靠。最后经与客户沟通，目前主板上空间充足，本方案可生产，屏蔽罩如图8所示。
图8 核心板屏蔽罩
5.实践效果
改板后再次进行静电试验，此后系统死机问题再未复现，试验通过。
【总结】
esd实验时，工程师经常碰到打一枪就死，整改来整改去没用，即便做了无数次pcb改板，也徒劳无功，搞得怀疑人生，自嘲下此刻想死的心都有了！何故？因为电路中有对esd极其敏感的薄弱点，不攻要害，何来征服！本案例产品esd问题，经过缜密的诊断和分析确定出了敏感源和耦合途径，然后通过对敏感源屏蔽成功化解。本文的整改方法和思路启示我们，打蛇打七寸，擒贼要擒王，不出手则已，出手则要狠招绝招，首战即决战，一战定乾坤。
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2.故障诊断
考虑到本板历次分别从接地、滤波、隔离等方面对单板进行了设计整改，均未改善，怀疑单板有esd薄弱点，因此本次确定采用敏感源头诊断和整改的方案，从源头彻底解决问题。
根据实验现象分析，判断为cpu功能单元受到干扰，分析核心子板（cpu模块电路）管脚各信号，从实践经验、信号功能等角度分析，判断表1罗列的信号比较敏感，易受静电干扰。
表1 易受esd干扰的敏感信号
序号 网络名称 信号功能 对esd敏感
1 lcd_hsync 液晶屏行同步信号 yes
2 lcd_vsync 液晶屏场同步信号 yes
3 i2c_sda i2c总线双向数据信号 yes
4 i2c_clk i2c总线时钟信号 yes
5 lcd_en 液晶屏使能信号 yes
6 lcd_clk 液晶屏时钟信号 yes
7 vcc_3v3_mpu mpu单元3.3v电源 yes
8 edp_reset edp接口复位信号 yes
将esd静电枪电压分别调至100v、300v、600v和1000v，分别对核心子板表1所示的信号管脚做接触放电，查找esd敏感信号，如图1所示。
图1 接触打ic管脚
实验中问题没有复现，因此排除这些信号产生的问题，试验记录如表2所示。
表2 esd敏感信号验证结果
序号 网络名称 100v 300v 600v 1000v
1 lcd_hsync 正常 正常 正常 正常
2 lcd_vsync 正常 正常 正常 正常
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4 i2c_clk 正常 正常 正常 正常
5 lcd_en 正常 正常 正常 正常
6 lcd_clk 正常 正常 正常 正常
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图2 接触打接地线铜鼻子
按图3所示的方法，6kv接触放电时，5次放电问题都能复现，因此确认静电电磁场辐射对ddr_clk信号和ddr器件有影响，此时使用铜箔将核心板区域屏蔽并接地，保护ddr敏感信号和模块，如图3所示。
图3 核心板模块屏蔽
将核心板模块区域屏蔽后，对i/o接口进行接触放电正负6kv、8kv、10kv，每次连续40次放电，系统均运行正常，问题解决，因此确定为核心板受静电干扰导致整机死机。
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继续验证确定整机esd为辐射耦合or容性耦合，经分析，系统静电放电泄放途径为i/o接口——单板pgnd——金属衬板——金属机箱——机箱盖板——接地线，如图4所示。
图4 整机静电泄放途径
当将机箱盖板与金属机箱不拧螺丝时或者机箱盖板不盖时，发现此时静电放电无问题，因此排除辐射耦合，那么此时静电泄放途径为i/o接口——单板pgnd——金属衬板——金属机箱，则相当于核心板ddr敏感部位与机箱盖板无静电容性耦合（两者距离很近），如图5所示。
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综上整机核心子板静电耦合简易模型如图6所示。
图6 核心子板静电耦合模
诊断时核心子板加屏蔽罩后此时静电耦合模型如图7所示。
图7 核心子板静电耦合模型
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