某款Sound Bar產品±4KV接觸放電出現自動關機現象分析與調試

圖1：產品形態圖

01、問題現象描述

某款Sound Bar產品自帶藍牙、AUDIO IN、SPDIF_IN、USB功能，可以通過手機連接藍牙播放音樂，也可以通過AUDIO IN端口、SPDIF_IN端口、USB接口播放音樂。在使用手機連接藍牙播放音樂狀態下進行±4KV接觸放電時出現自動關機現象，重新開機后可以正常連接藍牙播放音樂。客戶在認證機構進行確認問題現象后，付費委托我司進行整改，客戶提供整改樣機、產品原理圖、PCB Layout圖。

02、問題現象確認

收到樣機后，在公司實驗室進行±4KV靜電放電測試，問題現象與客戶反饋現象基本保持一致。分別使用USB端口、SPDIF_IN端口、AUDIO_IN播放音樂，進行±4KV接觸放電測試時，也會出現快速進入自動待機模式現象，初步確認靜電放電出現自動待機問題與產品的工作模式無關。

03、問題現象分析

根據產品電路原理框圖，如圖2所示可知，MCU芯片是電路的核心，通過總線與其它電路模塊相連，系統出現關機，且按鍵遙控可以正常開機，說明系統沒有宕機。引起系統自動關機的原因主要有：    ²系統供電電源跌落，引發系統重啟，導致系統關機²系統按鍵被誤觸發，導致系統關機²MCU芯片復位信號被干擾，引起系統復位，導致系統關機²MCU芯片其它信號被干擾，引起系統復位，導致系統關機

圖2：產品電路原理框圖

04、問題分析與調試過程

供電電源穩定性排查

根據問題現象分析，首先進行系統供電電源穩定性的排查，系統采用DC12V電源輸入，經過12V轉5V DC-DC，經過5V轉3.3V LDO與5V轉1.8V LDO輸出給MCU供電，即MCU是通過線性穩壓輸出供電，LDO IC抗干擾能力相對較強，受到靜電放電干擾的概率非常少，對12V轉5V DC-DC進行排查，使用穩壓電源替代12V DC-DC電源后，進行靜電放電測試問題現象依舊，基本排除供電電源受靜電放電干擾的可能性。

按鍵控制信號排查    

正查開機后將按鍵控制信號連接線纜移除，進行靜電放電測試問題現象仍然存在；將按鍵信號靠近MCU IC引腳處斷開，只保留遙控功能，進行靜電放電測試問題現象也存在；基本排除是按鍵控制信號受到靜電放電干擾導致系統自動關機的可能性。

復位信號排查

根據原理圖復位電路設計，可知復位電路是采用RC電路，上電瞬間電容被充電復位信號的電平被拉低，電容充滿電后復位信號恢復高電平，即系統完成復位動作。用鑷子來短路復位信號電容,觀察出現的問題現象同靜電放電時的現象基本相同。檢查PCB Layout設計，發現復位信號上的濾波電容放置位置距離MCU IC復位信號的引腳較遠，復位信號濾波電容構成的濾波環路面積則相對較大，靜電放電過程中產生的高頻噪聲則較容易在其環路中產生感應噪聲，導致復位信號誤動作，引發系統復位出現自動關機現象。

  圖3：復位信號PCB Layout布線圖

將復位信號遠端的濾波電容拆掉，在靠近MCU IC復位引腳處增加0.1uF/25V的濾波電容，然后進行±4KV接觸放電測試，自動關機現象消失，測試結果PASS，修改方案如下圖所示：    

  圖4：復位信號濾波電容靠近MCU IC引腳放置

05、問題產生的根因分析

由于產品采用純塑膠結構設計，無完整的金屬平面作為參考地與靜電電流泄放路徑，靜電放電電流只能從板卡的參考地平面回流到DC-IN電源，從電源回流到電源PE的參考地平面，再通過PE參考地返回靜電放電源頭。靜電放電產生的高頻電流在板卡地平面流動時，由于高頻下地平面寄生電感的存在，高頻靜電電流流過板卡參考地平面時會引發參考地平面的地電位的快速波動；而由于復位信號布線較長，構成的濾波環路面積較大，容易感應靜電放電噪聲，觸發復位信號后引起系統的誤復位，進入自動待機模式。    

圖5：復位信號濾波電容位置調整前后濾波環路面積對比

06、問題解決方案

  在MCU芯片靠近復位引腳處增加0.1uF/0402電容,利用電容兩端電壓不能突變濾波原理特性，進行瞬間電壓鉗位，吸收地電位快速波動產生的干擾電平。

【案例思考與總結】

復位信號是芯片非常重要且敏感的信號，其工作可靠性直接影響芯片工作的穩定性。復位信號的電路設計時應充分考慮其抗干擾能力，例如：增加ESD元件預留。復位信號的PCB布線應避免靠近ESD測試點，TVS元件、濾波電容元件、上拉電阻元件應靠近芯片復位信號引腳放置。