Standard ESD e miglioramenti per display LCD
IEC 61000-4-2 è uno standard di compatibilità elettromagnetica (EMC) sviluppato dalla Commissione elettrotecnica internazionale (IEC), specificamente mirato a testare l'immunità alle scariche elettrostatiche (ESD). Questo standard è progettato per valutare e verificare la capacità di apparecchiature e sistemi elettronici di resistere alle scariche elettrostatiche. Definisce le procedure per i test di scarica elettrostatica e vari livelli di test.
1. Livelli di prova IEC 61000-4-2
La norma IEC 61000-4-2 definisce due tipi principali di scariche:
1) Scarica da contatto: la scarica elettrostatica viene applicata direttamente al dispositivo tramite un elettrodo di prova a contatto con esso.
Scarica elettrostatica: la scarica elettrostatica viene applicata avvicinando l'elettrodo di prova al dispositivo (senza contatto diretto).
Ogni tipo di scarica ha diversi livelli di test di tensione per simulare l'intensità della scarica elettrostatica che potrebbe essere riscontrata in vari ambienti. I livelli di test standard definiti in IEC 61000-4-2 sono i seguenti:
Livelli di scarica a contatto:
- Livello 1: 2 kV
- Livello 2: 4 kV
- Livello 3: 6 kV
- Livello 4: 8 kV
- Livello speciale: > 8 kV (Livelli di tensione più elevati possono essere definiti dall'utente in base alle effettive esigenze)
Livelli di scarico dell'aria:
- Livello 1: 2 kV
- Livello 2: 4 kV
- Livello 3: 8 kV
- Livello 4: 15 kV
- Livello speciale: > 15 kV (Allo stesso modo, l'utente può definire livelli di tensione più elevati in base alle effettive esigenze)
Solo per i display LCD, il test massimo è il livello 4.
2. Procedura di prova
Durante il processo di collaudo effettivo, l'attrezzatura deve essere sottoposta a una serie di operazioni di scarica elettrostatica prescritte per garantire che possa resistere all'ambiente di scarica elettrostatica previsto. La procedura di collaudo specifica include:
1) Selezione del livello di prova: Scegliere il livello di prova appropriato (da Livello 1 a Livello 4 o un livello speciale superiore) in base all'ambiente di utilizzo previsto dell'apparecchiatura.
2) Impostazione dell'attrezzatura di prova: Utilizzare una pistola a scarica elettrostatica e altre apparecchiature di prova necessarie, come specificato dalla norma IEC 61000-4-2.
3) Metodi di scarico:
- Scarica del contatto: Mettere a contatto diretto la punta della pistola di scarica con le parti metalliche dell'attrezzatura.
- Scarico dell'aria: Avvicinare gradualmente la punta della pistola di scarica alle parti non metalliche dell'attrezzatura, fino a quando non si verifica la scarica.
4) Ripetere la scarica: In genere, sono necessarie più scariche (solitamente 10 o più) in ciascun punto di prova per verificare l'immunità alle scariche elettrostatiche dell'apparecchiatura su tutti i punti di prova.
5) Osservazione e registrazione: Dopo ogni scarica, osservare la risposta dell'apparecchiatura (ad esempio riavvio, perdita di dati, guasto funzionale, ecc.) e registrare i risultati del test.
3. Principali fenomeni di fallimento dei test ESD dello schermo LCD
Quando uno schermo LCD non supera un test ESD (scarica elettrostatica), si osservano comunemente i seguenti fenomeni:
1) Schermo tremolante or lampeggiante: Il display potrebbe tremolare o lampeggiare in modo intermittente a causa dell'instabilità causata dalle scariche elettrostatiche.
2) Permanent Mostra artefatti: Sullo schermo potrebbero apparire linee, macchie o distorsioni permanenti, che indicano danni al pannello LCD o ai circuiti.
3) allo Blocco: il display potrebbe bloccarsi o non rispondere più, rendendo necessario un riavvio o uno spegnimento/accensione per ripristinarlo.
4) Distorsione del colore: I colori sullo schermo potrebbero risultare distorti o non corretti, il che potrebbe essere dovuto a danni al driver del display o ad altri componenti elettronici.
5) Perdita della funzionalità di visualizzazione: Lo schermo potrebbe diventare completamente vuoto o non visualizzare alcuna immagine, il che suggerisce un guasto più grave dei componenti interni dello schermo.
6) Malfunzionamento della funzione touch (se applicabile): negli schermi LCD touch, la funzione touch potrebbe non rispondere più o funzionare in modo irregolare dopo un evento ESD.
7) Riavvii imprevisti: Il dispositivo potrebbe riavviarsi inaspettatamente a causa dell'ESD che colpisce i circuiti di controllo o di gestione dell'alimentazione del dispositivo.
8) Perdita o danneggiamento dei dati: Potrebbe verificarsi una perdita o un danneggiamento dei dati, in particolare se l'ESD colpisce la memoria o i componenti di archiviazione.
Questi fenomeni indicano che lo schermo LCD o i relativi componenti elettronici sono stati compromessi da scariche elettrostatiche, rendendo necessari ulteriori accertamenti e potenzialmente una schermatura aggiuntiva o una protezione del circuito.
4. Misure di miglioramento delle scariche elettrostatiche (ESD)
1) Misure preventive durante la fase di progettazione
a. Progettazione a livello di scheda
- Progettazione del piano di terra: Assicurarsi che il PCB abbia un piano di massa completo per migliorare la sua resistenza alle interferenze. Un piano di massa solido aiuta a fornire un percorso a bassa impedenza per il flusso di corrente, riducendo efficacemente il rumore e migliorando la compatibilità elettromagnetica (EMC) complessiva della scheda.
- Dispositivi di protezione ESD: Aggiungere dispositivi di protezione ESD su linee di segnale critiche, come diodi TVS (Transient Voltage Suppression) e condensatori di protezione ESD. Questi componenti aiutano a bloccare i picchi di tensione e a dissipare in modo sicuro l'energia ESD, proteggendo i circuiti sensibili da eventuali danni.
- Ottimizzazione del percorso di ritorno del segnale: Ottimizza i percorsi di ritorno del segnale per ridurre al minimo la corrente ESD che passa attraverso i circuiti critici. Percorsi di ritorno progettati correttamente assicurano che le correnti ESD siano dirette lontano dalle aree sensibili, riducendo il potenziale di danni al circuito e migliorando la resilienza ESD complessiva.
b. Progettazione dell'involucro
- Rivestimento conduttivo: Applicare un rivestimento conduttivo all'interno degli involucri in plastica per fornire un effetto schermante. Questo rivestimento aiuta a bloccare e dissipare le scariche elettrostatiche (ESD), proteggendo i componenti interni.
- Messa a terra dell'involucro metallico: Assicurarsi che l'involucro metallico sia correttamente messo a terra per fornire un percorso efficace per la scarica ESD. Una buona messa a terra aiuta a dissipare in modo sicuro l'elettricità statica lontano dai dispositivi elettronici sensibili.
- Aumentare l'area di messa a terra tra il telaio metallico del TFT LCD e il PCB del prodotto: Espandere l'area di messa a terra tra il telaio metallico del TFT LCD e il PCB del prodotto. Ciò aiuta a creare un percorso ESD più efficace e migliora l'immunità complessiva del dispositivo alle scariche elettrostatiche.
- Aumentare lo spazio di galleggiamento tra l'involucro e il touch screen TFT: Aumentare lo spazio libero tra l'involucro e il touch screen TFT. Uno spazio più ampio può aiutare a ridurre al minimo l'impatto diretto delle ESD sul touch screen, offrendo più spazio per la dissipazione delle potenziali scariche senza influire sui componenti sensibili.
2) Ottimizzazione del cablaggio e del layout
- Protezione dei componenti critici: Posizionare i componenti sensibili lontano dalle aree che potrebbero entrare in contatto con ESD, come pulsanti, connettori e interfacce. Ciò riduce il rischio che l'ESD raggiunga questi componenti e ne causi danni.
- Cavi di messa a terra corti: Ridurre al minimo la lunghezza dei cavi di messa a terra per ridurre la resistenza di terra e l'induttanza. Percorsi di messa a terra più corti forniscono un percorso più efficiente per la dissipazione delle correnti ESD, migliorando la protezione complessiva.
- Zone di isolamento: Crea zone di protezione ESD dedicate sul PCB per isolare i circuiti sensibili dalle aree che potrebbero entrare in contatto con ESD. Ciò può comportare l'aggiunta di barriere, piani di messa a terra o tracce di protezione per proteggere i componenti critici da potenziali percorsi di scarica.
3) Filtraggio e buffering
- Condensatori di filtraggio: Aggiungere condensatori di filtraggio alle linee di segnale critiche per assorbire gli impulsi ESD.
- Resistori in serie: Posizionare piccole resistenze in serie con le linee del segnale per limitare la corrente ESD.
4) Filtraggio e buffering
- Condensatori di filtraggio: Aggiungere condensatori di filtraggio sulle linee di segnale critiche per assorbire gli impulsi ESD.
- Resistori in serie: Posizionare piccole resistenze in serie con le linee del segnale per limitare la corrente ESD.
5) Schermatura e messa a terra
- Coperture schermanti: Installare coperture schermanti in metallo o ITO (ossido di indio e stagno) sui monitor LCD per ridurre l'impatto diretto delle scariche elettrostatiche.
- Ottimizzazione del percorso di messa a terra: Assicurarsi che le coperture di schermatura, i rivestimenti conduttivi e gli involucri metallici abbiano buoni collegamenti di messa a terra per formare un percorso di scarica ESD a bassa impedenza.
6) Protezione dell'interfaccia e dei pulsanti
- Protezione dell'interfaccia: Aggiungere dispositivi di protezione ESD, come diodi TVS, alle interfacce di ingresso e di uscita del display.
- Protezione dei pulsanti: Progettare una schermatura e una messa a terra adeguate per i pulsanti per ridurre le interferenze ESD condotte attraverso di essi.
7) Gestione della linea di alimentazione e di terra
- Trasformatori di isolamento: Utilizzare trasformatori di isolamento per separare la sezione di potenza da quella del segnale, riducendo la possibilità di conduzione di scariche elettrostatiche attraverso l'alimentatore.
- Gestione della linea di terra: Aggiungere induttori di modo comune e condensatori di filtraggio all'ingresso di alimentazione per ridurre la possibilità di conduzione di scariche elettrostatiche attraverso le linee elettriche.
8) Test e convalida del prodotto
- Test sulle armi ESD: Utilizzare una pistola ESD per test simulati per identificare i punti deboli e implementare misure correttive.
- Validazione ripetuta: Eseguire ripetuti test ESD in diversi ambienti per garantire l'efficacia delle misure correttive.
9) Selezione del materiale
- Materiali antistatici: Scegliere materiali con proprietà antistatiche per l'involucro del monitor, come la plastica antistatica.
- Gomma conduttiva: Utilizzare gomma conduttiva su pulsanti e interfacce per migliorare la capacità antistatica.
5. Esempi specifici di miglioramento
1) Protezione SD per interfacce monitor
Per proteggere le interfacce HDMI, VGA, USB e altre di un monitor dalle scariche elettrostatiche (ESD), prendere in considerazione le seguenti strategie di protezione:
- Diodi TVS paralleli: Installare diodi di soppressione della tensione transitoria (TVS) in parallelo sulle linee di segnale di HDMI, VGA, USB e altre interfacce. I diodi TVS aiutano a bloccare i picchi di tensione causati da ESD, proteggendo i circuiti sensibili da sovratensioni ad alta tensione.
- Aggiunta di piccoli condensatori: Posizionare piccoli condensatori vicino alle interfacce per formare filtri passa-basso. Questi condensatori aiutano ad assorbire e filtrare gli impulsi ESD ad alta frequenza, proteggendo ulteriormente i componenti interni del monitor.
2) Protezione ESD per i pulsanti
Per proteggere i pulsanti dalle scariche elettrostatiche (ESD), è possibile adottare le seguenti misure:
- Cuscinetti in gomma conduttiva: Posizionare cuscinetti in gomma conduttiva tra i pulsanti e la scheda di circuito per garantire una messa a terra efficace quando i pulsanti vengono premuti. La gomma conduttiva fornisce un percorso per l'ESD per dissiparsi in modo sicuro a terra, riducendo il rischio di danni al circuito.
- Resistori in serie: Inserire piccole resistenze in serie con le linee dei pulsanti. Queste resistenze aiutano a limitare la corrente ESD che potrebbe fluire nel circuito, fornendo una protezione aggiuntiva per i componenti sensibili riducendo l'impatto degli impulsi ESD.
3) Protezione ESD per linee elettriche
Per proteggersi dalle scariche elettrostatiche (ESD) attraverso le linee elettriche, è possibile adottare le seguenti misure:
- Induttanze di modo comune: Installare induttori di modo comune all'ingresso di alimentazione. Questi induttori aiutano a sopprimere il rumore di modo comune e a ridurre la quantità di energia ESD che può essere condotta attraverso le linee elettriche.
- Condensatori X/Y: Utilizzare condensatori X e Y all'ingresso di alimentazione per filtrare gli impulsi ESD condotti attraverso le linee di alimentazione. I condensatori X sono posizionati tra la linea e il neutro, mentre i condensatori Y sono collegati tra la linea/neutro e la terra. Insieme, formano una rete di filtraggio efficace per assorbire e mitigare gli impulsi ESD ad alta frequenza.
4) Ripristinare il pin con il circuito RC
Per proteggere il pin di reset da ESD e garantire un funzionamento stabile, è possibile aggiungere un circuito RC (resistore-condensatore). I valori suggeriti per i componenti sono:
- R1 = 1 kΩ (1 kilo-ohm): Questa resistenza aiuta a limitare la corrente che scorre verso il pin di reset, fornendo un buffer contro i picchi di tensione improvvisi dovuti a ESD.
- C1 = 0.1 µF (microfarad):Questo condensatore agisce come un filtro, attenuando eventuali variazioni rapide di tensione e garantendo stabilità al segnale di reset.
- C2 = 0.047 µF (microfarad):È possibile posizionare un condensatore aggiuntivo in parallelo per perfezionare ulteriormente il filtraggio, assicurando che il pin di reset sia meno suscettibile al rumore ad alta frequenza e agli impulsi ESD.
Questo circuito RC aiuta ad attenuare il rimbalzo del pin di reset e fornisce una protezione aggiuntiva contro le scariche elettrostatiche e le fluttuazioni transitorie della tensione.
5) Aggiunta di un anello ESD
Si consiglia di aggiungere dispositivi di protezione TVS ESD nei punti di contatto elettrostatico per sfruttare le loro proprietà antistatiche, formando un percorso di scarica ESD e migliorando la protezione. Inoltre, includere un anello di scarica elettrostatica (anello ESD) sul pannello. Questo anello fornisce un percorso verso terra per la scarica elettrostatica, proteggendo così le linee VCOM e Gate da potenziali danni.
6) Aggiungere un TVS in ogni punto VCOM
Si consiglia di aggiungere un diodo TVS (Transient Voltage Suppression) in ogni punto VCOM per una maggiore protezione ESD. In particolare, utilizzare ULC0511CDN in un package DFN1006 di LeiMao Electronics. Questo componente è stato applicato con successo e ha mostrato risultati soddisfacenti tra molti clienti di display.
7) Tracce esposte sul pannello
Applicare colla o nastro isolante su tutte le tracce esposte sul pannello. Ciò aiuta a prevenire cortocircuiti accidentali e protegge le tracce dai danni ESD.
8) Pin non utilizzati
I pin inutilizzati non devono essere lasciati flottanti; al contrario, devono essere collegati a MVDDL (minimum voltage differential digital logic). Ciò impedisce ai pin flottanti di rilevare rumore o causare comportamenti indesiderati nel circuito.
9) Ripristino del software
Implementare una funzione di reset software. Ciò consente al sistema di recuperare da condizioni impreviste o malfunzionamenti dovuti a eventi ESD o altri problemi, ripristinando il software a uno stato noto di buon funzionamento.
10) Esempio: schermo LCD per auto
Descrizione del problema:Durante il test di scarica elettrostatica (ESD), lo schermo ha superato la prova con scarica a contatto di ±6 kV, ma non è riuscito a superare la prova con scarica in aria di ±8 kV.
Analisi: Lo schermo LCD è collegato al controller principale tramite cavi e il tipo di interfaccia utilizzato è LVDS (Low-Voltage Differential Signaling). Attualmente, gli schermi di grandi dimensioni utilizzano principalmente interfacce differenziali LVDS e VBO (Video Bus Output), che sono efficaci nel sopprimere le interferenze in modalità comune. Lo sfarfallio dello schermo osservato durante i test potrebbe essere causato da interferenze che interessano i cavi LVDS. È stata applicata una scarica di contatto di 500 V-1000 V a ciascuna linea di segnale dei cavi LVDS e si è scoperto che lo sfarfallio dello schermo si verificava a 500 V-1000 V su entrambe le coppie di linee di clock differenziali. Ciò ha confermato che i segnali di clock differenziali sono particolarmente sensibili alle interferenze ESD.
Soluzione: Aggiungere perle di ferrite (anelli magnetici) alle linee LVDS. Dopo aver aggiunto gli anelli magnetici, sono stati eseguiti nuovamente i test ESD, che sono stati superati con successo. La perla di ferrite scelta ha la seguente curva caratteristica di impedenza di frequenza:
[Includere qui la curva caratteristica dell'impedenza di frequenza della perlina di ferrite, se disponibile in formato visivo.]
Grazie all'implementazione di queste sfere di ferrite, la suscettibilità alle interferenze ESD è stata notevolmente ridotta, stabilizzando i segnali di clock differenziali e prevenendo lo sfarfallio dello schermo.
11) Metodi antistatici per diversi contenitori
I display LCD TFT sono facilmente influenzati da interferenze elettromagnetiche (EMI) e scariche elettrostatiche (ESD), soprattutto quando hanno touchscreen integrati. Per quanto riguarda le ESD, i display LCD TFT sono montati a filo sulla parte esterna del dispositivo. Le scariche possono raggiungere i bordi della cornice LCD e non vengono completamente dissipate dall'involucro del prodotto.
Guardandolo più in dettaglio, la cornice di uno schermo LCD è solitamente collegata alla massa del segnale (GND) del PCB del prodotto. Pertanto, qualsiasi corrente scaricata può fluire nella scheda del dispositivo. La soluzione dipende dal fatto che l'involucro del prodotto finale sia conduttivo o non conduttivo.
- Contenitore conduttivo (metallico): Assicurare una salda saldatura elettrica su tutte le superfici tra la cornice LCD e i bordi del gradino della cornice. Utilizzare un rivestimento conduttivo trasparente, come ITO (ossido di stagno e indio), con resistività superficiale che si estende fino ai bordi del gradino della cornice.
- Custodia non conduttiva: Fornire il display LCD TFT come punto di ingresso per ESD. Utilizzare cavi piatti schermati per collegare il telaio LCD alla terra del PCB; aumentare lo spazio di isolamento (flottante) tra l'involucro del prodotto e il modulo display LCD.
12) Esempio: problema schermata bianca/schermata blu
Con "schermo bianco" o "schermo blu" si intende lo schermo del modulo che visualizza solo la retroilluminazione, come avviene all'accensione iniziale, senza alcuna risposta anche quando si regola il contrasto.
Questo problema si verifica perché durante il funzionamento si verifica un'interferenza sulle linee di alimentazione del modulo (VDD o VSS) o sulla linea del segnale RESET, causando il reset del modulo. Il reset determina l'inizializzazione dei registri interni del modulo e lo spegnimento del display.
Soluzione:
- Se l'interferenza si verifica sulle linee di alimentazione, si consiglia di aggiungere un condensatore di disaccoppiamento (10 µF) e un condensatore di filtraggio (0.1 µF/0.01 µF) tra le linee di alimentazione VDD e VSS, il più vicino possibile al modulo.
- Se l'interferenza si verifica sulla linea del segnale RESET, è consigliabile aggiungere un condensatore di filtraggio (con una capacità di 0.1 µF o 0.01 µF) tra la linea del segnale RESET e VSS, il più vicino possibile al modulo.
La scelta dei valori del condensatore deve essere determinata in base ai risultati effettivi dei test.
13) Il display mostra caratteri errati o pixel casuali (errori di dati) che possono essere risolti solo spegnendo e riaccendendo il dispositivo
Questo problema si verifica perché viene applicata un'interferenza ai segnali di controllo, causando la modifica dei parametri del registro. In genere, quando si visualizzano i dati, non si verifica alcuna scrittura ripetuta sui parametri del registro di lavoro principale, il che porta al problema descritto.
Soluzione:
Se sono presenti interferenze sulle linee di trasmissione:
- Utilizzare perle di ferrite oppure schermare le linee con materiali come fogli di stagno o sottili fogli di rame.
- Modificare il percorso delle linee di trasmissione per evitare aree con interferenze.
- Ridurre la lunghezza delle linee di trasmissione o aggiungere driver di linea per aumentare la potenza di trasmissione e migliorare l'immunità ai disturbi.
14) Cosa fare se non si riescono a trovare i punti di interferenza o le precauzioni del circuito non sono sufficienti per eliminare l'interferenza?
Se non è possibile identificare l'interferenza o le precauzioni del circuito non riescono a prevenirne l'impatto, prendere in considerazione le seguenti soluzioni:
Inizializzazione periodica del registro: Invece di usare il segnale RESET, esegui operazioni direttamente sui registri per l'inizializzazione. Se si verifica un crash e non può essere recuperato, usa il segnale RESET per l'inizializzazione. Tuttavia, questo potrebbe causare sfarfallio dello schermo durante la visualizzazione normale. Per garantire che la visualizzazione normale non sia influenzata dall'inizializzazione:
a. Utilizzare i dati di lettura del registro per l'inizializzazione: Utilizzare i dati letti dai registri, come la lettura delle parole di stato del display o dati specifici dell'unità SRAM, come base per determinare se è necessaria l'inizializzazione.
b. Utilizzare il modulo display negativo con controllo della retroilluminazione: Per i moduli con display negativo, spegnere la retroilluminazione quando non è in uso, rendendo difficile vedere il contenuto del display. Quando è necessario osservare il contenuto del display, accendere la retroilluminazione, usando questo momento come punto per reinizializzare il modulo, il che è meno evidente.
15) Il test di interferenza elettrostatica sull'involucro del prodotto (in particolare sul pannello del prodotto) provoca errori di visualizzazione o schermate bianche sul modulo
Questo tipo di interferenza è causato principalmente dal telaio metallico o dal vetro del modulo che interferisce con i circuiti del modulo. Per migliorare questa situazione, prendi in considerazione i seguenti metodi:
- Collegare a terra il telaio metallico del modulo.
- Collegare il telaio metallico del modulo al VSS (terra del circuito).
- Lasciare il telaio metallico del modulo sospeso (non collegato a nulla).
- Aggiungere un cuscinetto isolante tra il telaio metallico del modulo e l'involucro metallico; più spesso è il cuscinetto isolante, maggiore sarà la riduzione dell'elettricità statica.
Questi quattro metodi dovrebbero essere testati sul prodotto reale per determinare quale sia il più efficace.
16) Schermata bianca o errori di visualizzazione si verificano anche senza una fonte di interferenza esterna
Questa situazione rientra anche nell'interferenza, ma è dovuta all'interferenza interna del sistema, causata principalmente da conflitti software. Il primo passo è identificare il pattern di quando si verifica l'interferenza. Tali problemi hanno maggiori probabilità di verificarsi durante il processo di scrittura del modulo, portando al blocco del modulo o alla visualizzazione di errori.
Le cause più comuni includono:
- Routine di interrupt che interferiscono durante le operazioni del modulo (modalità di indirizzamento I/O), causando operazioni errate come segnali di controllo o dati modificati, che possono causare il blocco del modulo o una visualizzazione errata.
Soluzione: Disattivare le risposte di interruzione durante il funzionamento del modulo per evitare interferenze durante i processi critici.
17) Esempio: quando si utilizza un display TFT e uno chassis di prodotto in metallo, è stato condotto un test di scarica elettrostatica (ESD) da 8000 V, che ha causato la visualizzazione di uno schermo distorto sul display. Il ripristino e la reinizializzazione del modulo non hanno avuto alcun effetto e il dispositivo ha dovuto essere spento e riavviato per tornare al normale funzionamento. Le normative del settore non consentono la messa a terra dello chassis.
Come soluzione, lo chassis in metallo è stato sostituito con un involucro in acrilico (vetro organico) e un programma di aggiornamento (inizializzazione) a ciclo temporizzato è stato aggiunto alla routine software principale. Durante il test ESD, quando il modulo LCD viene ripristinato a causa di scariche elettrostatiche, il programma di aggiornamento (inizializzazione) corregge il problema, causando solo un breve sfarfallio prima di tornare al normale funzionamento, superando così il test.
18) Esempio: utilizzando un display TFT, è stato condotto un test di scarica elettrostatica (ESD) da 8 kV sullo chassis del prodotto, con conseguente assenza di visualizzazione sul modulo
Per migliorare questo, sono stati aggiunti un condensatore da 330μF e un diodo di protezione da sovratensione (P6K1) al pin di alimentazione del modulo, e un condensatore da 330μF è stato aggiunto all'uscita (VOUT) dell'alimentatore del driver. Queste misure hanno migliorato significativamente la situazione. Inoltre, il telaio metallico del modulo è stato isolato dallo chassis, mantenendo uno spazio di 2 mm, il che ha contribuito a superare il test ESD.
Tuttavia, nonostante questi miglioramenti, c'erano ancora occasionali casi di assenza di visualizzazione. Per risolvere completamente questo problema, è stata aggiunta una routine di inizializzazione periodica al programma per reimpostare il modulo e recuperare dalle interferenze. Ciò ha risolto completamente il problema delle interferenze del display.
19) Esempio: quando si utilizza un display TFT, durante un test in cui un segnale di interferenza di gruppo di impulsi positivi da 4 kV, 150 Hz è stato applicato alla linea di alimentazione principale del sistema, il display ha mostrato caratteri distorti
Per risolvere questo problema, è stato aggiunto un assorbitore di sovratensione alla linea di alimentazione all'interfaccia del modulo LCD e la lunghezza delle linee di trasmissione ridondanti è stata ridotta. Queste misure hanno consentito al sistema di superare il test.
20) Quando si utilizza un display TFT su un armadio elettrico, il modulo non mostrava alcun display sotto interferenza elettromagnetica ad alta tensione
Per risolvere questo problema, l'alimentatore di sistema è stato sostituito con un alimentatore isolato. Un condensatore da 0.01μF è stato collegato al pin /RESET del modulo, il ponticello che collega il telaio metallico del modulo al VSS è stato scollegato ed è stato aggiunto un cuscinetto isolante per isolare il telaio metallico del modulo dall'armadio elettrico.
21) Il cavo di collegamento tra il display TFT e la scheda madre del sistema è lungo oltre 700 mm. Quando si scrivono ripetutamente dati grafici, il lato destro della grafica duplica progressivamente il byte più a destra dei dati grafici
Le misurazioni della forma d'onda del segnale di ingresso all'interfaccia del modulo erano buone, con /WR = 0 larghezza di 2μs. L'aggiunta di condensatori e resistori pull-up ai segnali di interfaccia non ha mostrato alcun miglioramento significativo. L'accorciamento del cavo e l'aggiunta di perline di ferrite hanno fornito un miglioramento evidente, ma non hanno risolto completamente il problema.
L'inserimento di un circuito di trigger di Schmitt (74HC14) nella linea di segnale /WR ha risolto completamente il problema. Inoltre, l'inserimento di un resistore da 680Ω nella linea di segnale /WR ha anche ottenuto una soluzione completa.
22) Esempio: schermata blu sul display LCD
Durante i test ESD (scarica elettrostatica), un display industriale ha ricevuto schermate blu ogni volta che il sistema è stato testato a ±6kV sulla porta di rete, USB e porta seriale, causando il crash del sistema. Si sarebbe ripristinato automaticamente dopo un ciclo di accensione e spegnimento, ma il test non è stato superato. La scheda era stata precedentemente sottoposta a molteplici revisioni di progettazione incentrate su messa a terra, filtraggio e isolamento, ma queste non avevano risolto il problema. Pertanto, questa volta, è stata adottata una strategia per diagnosticare e correggere la causa principale per identificare e risolvere i punti deboli del sistema.
Analisi e soluzione:
Sulla base del fenomeno osservato, si è sospettato che l'unità funzionale della CPU fosse influenzata da interferenze. Sono stati analizzati i pin della sottoscheda principale (circuito del modulo CPU) e i segnali sono stati identificati come particolarmente sensibili e inclini a interferenze ESD sulla base dell'esperienza pratica e della funzionalità del segnale.
Per identificare i segnali sensibili alle ESD, è stata utilizzata una pistola ESD per applicare scariche di contatto a tensioni di 100 V, 300 V, 600 V e 1000 V a vari pin di segnale sulla sotto-scheda principale. Durante questi test, il problema non si è più verificato, escludendo quei segnali come fonte del problema.
Un'ulteriore analisi dei circuiti sensibili sulla sotto-scheda principale ha rivelato che quando veniva applicata una scarica di contatto da 100 V al segnale sensibile DDR_CLK, il problema si ripresentava costantemente. Ogni volta che veniva applicata la scarica, il problema si replicava. La traccia DDR_CLK era larga 4 mil e il design non includeva i pad di prova, limitando le opzioni di mitigazione disponibili.
Per determinare se il campo elettromagnetico statico stava influenzando il segnale di clock DDR_CLK, un filo metallico collegato a terra è stato posizionato direttamente sopra la traccia DDR_CLK e la pistola ESD è stata utilizzata per scaricare il terminale in rame del filo di terra a 6 kV. Il problema è stato riprodotto entro cinque scariche, confermando che la radiazione elettromagnetica dell'ESD stava influenzando il segnale DDR_CLK e i componenti DDR.
Risoluzione:
Dopo aver confermato che la radiazione elettromagnetica stava influenzando il modulo DDR sulla scheda centrale e causando il ripetersi del problema ESD, è stato utilizzato un foglio di rame per schermare e mettere a terra l'area della scheda centrale, proteggendo i segnali DDR sensibili e il modulo. Dopo aver schermato il modulo della scheda centrale, sono state applicate scariche di contatto alle interfacce IO a ±6 kV, 8 kV e 10 kV, con ogni test che prevedeva 40 scariche consecutive. Il sistema ha continuato a funzionare normalmente, indicando che il problema era stato risolto.
Analisi delle cause:
Ulteriori verifiche hanno determinato che l'ESD che ha interessato l'intero sistema era dovuto all'accoppiamento radiativo o all'accoppiamento capacitivo. L'analisi ha mostrato che il percorso di scarica elettrostatica era il seguente: interfaccia IO → scheda singola PGND → piastra di supporto in metallo → telaio in metallo → coperchio del telaio → filo di terra.
Questo percorso spiega come l'ESD sia stata in grado di influire sui componenti sensibili, confermando la necessità di una schermatura e di una messa a terra aggiuntive per proteggere dalle interferenze.
Quando la copertura dello chassis non è avvitata sullo chassis metallico o quando la copertura non è in posizione, è stato osservato che non vi erano problemi di scariche elettrostatiche (ESD). Ciò ha escluso il problema dell'accoppiamento radiativo. In questo caso, il percorso di scarica ESD è il seguente: interfaccia IO → scheda singola PGND → piastra di supporto metallica → chassis metallico. Ciò suggerisce che vi è un accoppiamento capacitivo elettrostatico tra l'area DDR sensibile sulla scheda centrale e la copertura dello chassis (poiché sono molto vicine tra loro), come mostrato nel diagramma seguente.
In sintesi, nel diagramma seguente è mostrato un modello semplificato dell'accoppiamento elettrostatico sulla sottoscheda centrale dell'intero sistema:
Durante la diagnosi del problema, dopo aver aggiunto una copertura di schermatura alla sotto-scheda centrale, il modello di accoppiamento elettrostatico a questo punto è mostrato nello schema seguente.
Dal diagramma, si può vedere che dopo aver aggiunto una copertura di schermatura alla sotto-scheda centrale, l'energia elettrostatica dalla copertura posteriore dello chassis viene direttamente accoppiata alla schermatura metallica. Questa energia viene quindi scaricata a terra attraverso i pin di messa a terra della copertura di schermatura, impedendo così all'ESD di accoppiarsi direttamente al modulo sensibile alla DDR e risolvendo il problema.
Sulla base dell'analisi di cui sopra, il problema ESD è stato causato dall'accoppiamento capacitivo dell'interferenza elettrostatica tra la copertura posteriore del telaio e il circuito del modulo DDR.
Poiché la sotto-scheda core è un prodotto di piattaforma dell'azienda cliente e il circuito DDR sul modulo è altamente sensibile, si consiglia di utilizzare una copertura di schermatura per proteggere il sensibile modulo della sotto-scheda core sia per i test che per la produzione di massa. Questa soluzione è semplice, efficace e affidabile.
23) Protezione EMI per display LCD
L'approccio principale è quello di schermare i componenti che sono facilmente influenzati dalle interferenze elettromagnetiche.
a. Per componenti sensibili come il controller Touch e il driver LCD IC, utilizzare un tessuto di schermatura EMI per fornire protezione monolaterale o bilaterale.
b. Poiché alcuni schermi LCD emettono segnali ad alta frequenza, è possibile applicare la schermatura utilizzando una cornice metallica nella parte inferiore e uno strato di ITO (ossido di indio e stagno) nella parte superiore.