01、問題描述

某塑料殼體平板產品，在進行ESD放電實驗時，空氣放電±8kV測試時產品死機，需要斷電重啟才能恢復正常，實驗不通過。

02、問題分析

判斷查看產品結構，塑料殼體，使用四層單板，層疊順序 TOP-GND-POW-BOT，頂層信號以第二層地平面做為回流參考平面，底層信號以第三層電源平面做為參考回流平面，如圖 1 所示：

圖1 ：單板層疊結構

圖中，深藍為底層布線，淺藍為第三層電源平面，產品為數字產品，根據整機的故障現象，懷疑高速DDR對靜電比較敏感，PCB 設計時，DDR信號選擇頂底層布線，分別參考不同回流平面，環路比較大容易受ESD靜電干擾。 將靜電槍電壓調低到500V，直接用靜電槍槍頭對高速DDR布線放電，此時問題可以復現，因此判斷是DDR信號受靜電干擾導致死機。  

03、問題原因分析

根據電流沿最小阻抗路徑回流到源的原則和電流必須形成環路的原則，信號環路面積越小空間輻射能力越弱，耦合外部噪聲干擾的能力就越弱。反之，信號環路面積越大空間輻射能力就越強，耦合外部噪聲干擾的能力就越強，具體示意如圖 2 所示：

圖2： 電流回流環路示意圖

信號的傳輸路徑是由兩條相反的路徑構成，一條是驅動路徑，由驅動端指向 接收端，一條是返回路徑，由接收端指向發送端，即任何電路既有信號路徑又有 回流路徑。多層板電源平面和地平面都可以做為信號的回流路徑，根據微帶線原 理，微帶線因為信號布線與參考平面之間緊密耦合的緣故，回返電流會在參考平面上布線的直接正下方（或正上）流動，因此本產品四層板信號回流路徑如圖 3 所示：    

圖3 ：疊層回流路徑圖示

從圖 3 可以看出，頂層布線層信號回路就近參考 GND 平面，而底層布線層信號回流就近參考POW平面，電源平面和地平面由于電氣屬性不同，此時信號回流 不能從一個平面回到另一個平面，如圖 4 所示：

圖4 ：信號換層回流路徑圖示

從圖4可以看出，參考不同平面的回返電流路徑中斷，此時回返電流將流經不可預期的路徑，增大DDR布線環路面積，環路越大接收電磁場能力越強將增大EMC風險。 設計師也考慮到這個問題，在信號換層處附近的電源和地增加電容進行橋接，如下圖5所示：

圖5 ：信號換層跨分割增加電容橋接回流圖示

通過分析信號回流路徑，并調整信號換層處回流路徑的橋接電容參數，無明顯改善，判斷不是信號回流路徑環路面積較大，引起的耦合問題。深入分析發現PCB背面靠近空氣放電測試點，而空氣放電瞬間會產生較強的空間電場輻射。考慮到這種情況，在PCB底層布線上增加金屬屏蔽殼體并接地，來屏蔽電場，靜電放電測試結果順利通過，確認是靜電放電過程中的電場耦合。

04、問題解決方案

調整單板層疊結構為TOP-GND-SIG-POW，如圖6所示。    

圖6：層疊結構調整圖

從圖6可以看出調整單板層疊結構后，TOP信號仍然參考第2層地平面，第3層的信號布線參考BOTTOM層電源平面，第2層參考地平面與BOTTOM層電源平面仍然通過電容橋接換層處的信號回流路徑，信號的參考平面未做任何改變。利用電源平面低阻抗的特性來實現屏蔽電場的目的。

修改PCB Layout后，±8kV空氣放電測試順利通過，實現低成本解決方案。

05、案例總結思考

靜電放電過程中產生的空間場噪聲耦合，是靜電放電干擾進入敏感設備、敏感信號、敏感電路的重要路徑，產品設計階段可以通過敏感源與靜電放電測試點之間的距離、空間屏蔽的方式規避問題，也可以通過調整PCB Layout疊層設計來規避。