液晶显示器ESD标准及改进
IEC 61000-4-2 是国际电工委员会 (IEC) 制定的电磁兼容性 (EMC) 标准，专门用于测试抗静电放电 (ESD) 能力。该标准旨在评估和验证电子设备和系统抵抗静电放电的能力。它定义了静电放电测试程序和各种测试级别。
1. IEC 61000-4-2 测试级别
IEC 61000-4-2 标准定义了两种主要放电类型：
1)接触放电：通过与设备接触的测试电极将静电放电直接施加到设备上。
空气放电：通过将测试电极靠近设备（非直接接触）来施加静电放电。
每种放电都有不同的电压测试等级，以模拟各种环境中可能遇到的静电放电强度。IEC 61000-4-2 中定义的标准测试等级如下：
接触放电水平：
- 1级：2kV
- 2级：4kV
- 3级：6kV
- 4级：8kV
- 特殊等级：>8kV（用户可根据实际需要定义更高的电压等级）
空气排放水平：
- 1级：2kV
- 2级：4kV
- 3级：8kV
- 4级：15kV
- 特殊等级：>15kV（同样，用户可以根据实际需要定义更高的电压等级）
仅对于 LCD 显示器，最高测试为 4 级。
2.测试程序
在实际测试过程中，设备必须经过一系列规定的静电放电操作，以确保其能够承受预期的静电放电环境。具体测试程序包括：
1) 选择测试级别：根据设备预期的使用环境，选择合适的测试级别（1级至4级，或更高的特殊级别）。
2) 设置测试设备：使用 IEC 61000-4-2 标准规定的静电放电枪和其他必要的测试设备。
3）放电方法：
- 接触放电：让放电枪尖端与设备的金属部件直接接触。
- 空气排放：将放电枪的尖端靠近设备的非金属部件，逐渐靠近直至发生放电。
4) 重复放电：通常，每个测试点需要进行多次放电（通常 10 次或更多），以验证设备在所有测试点上的静电放电抗扰度。
5) 观察与记录：每次放电后，观察设备的反应（如重启、数据丢失、功能失效等）并记录测试结果。
3.液晶屏ESD测试失败的主要现象
当液晶屏未通过 ESD（静电放电）测试时，通常会出现以下现象：
1）屏幕 闪烁 or 闪烁：由于静电放电引起的不稳定性，显示屏可能会间歇性闪烁或闪烁。
2）永久性 显示伪像：屏幕上可能会出现永久的线条、斑点或扭曲，表明 LCD 面板或电路已损坏。
3) 屏风 冻结：显示器可能会冻结或无响应，需要重新启动或电源循环才能恢复。
4) 色彩失真：屏幕上的颜色可能会失真或不正确，这可能是由于显示驱动器或其他电子元件损坏造成的。
5) 显示功能丧失：屏幕可能完全空白或无法显示任何图像，这表明屏幕内部组件出现更严重的故障。
6) 触摸功能故障 （如果适用）：在触摸式 LCD 屏幕中，发生 ESD 事件后，触摸功能可能会变得无响应或不稳定。
7) 意外重启：由于 ESD 影响设备的电源管理或控制电路，设备可能会意外重启。
8) 数据丢失或损坏：可能会丢失或损坏数据，特别是当 ESD 影响内存或存储组件时。
这些现象表明液晶屏或其相关电子设备已受到静电放电的损害，需要进一步调查，并可能需要额外的屏蔽或电路保护。
4. 静电放电（ESD）改善措施
1）设计阶段的预防措施
a. 板级设计
- 地平面设计：确保 PCB 具有完整的接地平面，以增强其抗干扰能力。坚固的接地平面有助于为电流提供低阻抗路径，有效降低噪声并提高电路板的整体电磁兼容性 (EMC)。
- ESD保护装置：在关键信号线上添加 ESD 保护器件，例如 TVS（瞬态电压抑制）二极管和 ESD 保护电容器。这些元件有助于钳制电压尖峰并安全地消散 ESD 能量，保护敏感电路免受损坏。
- 信号返回路径优化：优化信号返回路径，以最大限度地减少通过关键电路的 ESD 电流。正确设计的返回路径可确保 ESD 电流远离敏感区域，从而降低电路损坏的可能性并提高整体 ESD 弹性。
b. 外壳设计
- 导电涂层：在塑料外壳内部涂上导电涂层，以提供屏蔽效果。该涂层有助于阻挡和消散静电放电 (ESD)，保护内部组件。
- 金属外壳接地：确保金属外壳正确接地，为 ESD 放电提供有效路径。良好的接地有助于安全地将静电从敏感电子设备上消散。
- 增加TFT LCD金属框架与产品PCB之间的接地面积：扩大 TFT LCD 金属框架与产品 PCB 之间的接地面积。这有助于创建更有效的 ESD 路径，并提高设备整体对静电放电的免疫力。
- 增加外壳和 TFT 触摸屏之间的浮动间隙：增加外壳和 TFT 触摸屏之间的浮动间隙。更大的间隙可以提供更多空间让潜在放电消散，而不会影响敏感元件，从而有助于最大限度地减少 ESD 对触摸屏的直接影响。
2）布线及布局优化
- 关键部件的保护：将敏感组件放置在可能接触 ESD 的区域之外，例如按钮、连接器和接口。这可降低 ESD 到达这些组件并造成损坏的风险。
- 短接地线：尽量缩短接地线的长度，以降低接地电阻和电感。较短的接地路径为 ESD 电流消散提供了更有效的路径，从而提高了整体保护效果。
- 隔离区：在 PCB 上创建专用的 ESD 保护区，将敏感电路与可能接触 ESD 的区域隔离。这可能涉及添加屏障、接地平面或保护线，以保护关键组件免受潜在放电路径的影响。
3）过滤和缓冲
- 滤波电容器：在关键信号线添加滤波电容，以吸收 ESD 脉冲。
- 串联电阻：将小电阻与信号线串联以限制 ESD 电流。
4）过滤和缓冲
- 滤波电容器：在关键信号线上添加滤波电容，吸收ESD脉冲。
- 串联电阻：将小电阻与信号线串联以限制 ESD 电流。
5）屏蔽和接地
- 屏蔽罩：在液晶显示器上安装金属或ITO（氧化铟锡）屏蔽罩，以减少ESD的直接影响。
- 接地路径优化：确保屏蔽罩、导电涂层和金属外壳具有良好的接地连接，以形成低阻抗的 ESD 放电路径。
6）接口和按钮保护
- 接口保护：在显示屏的输入输出接口处添加ESD保护器件，如TVS二极管。
- 按钮保护：为按钮设计适当的屏蔽和接地，以减少通过它们传导的 ESD 干扰。
7）电源和地线处理
- 隔离变压器：使用隔离变压器将电源部分与信号部分分开，降低ESD通过电源传导的可能性。
- 地面线路处理：在电源输入端添加共模电感器和滤波电容，以减少ESD通过电源线传导的可能性。
8）产品测试和验证
- ESD 枪测试：使用 ESD 枪进行模拟测试，找出薄弱环节并实施纠正措施。
- 重复验证：在不同环境下进行重复的ESD测试，以确保纠正措施有效。
9）材料选择
- 防静电材料：为显示器外壳选择具有防静电性能的材料，例如防静电塑料。
- 导电胶：按键及接口处采用导电橡胶，增强防静电能力。
5.具体改进示例
1）监视器接口的 SD 保护
为了保护显示器上的 HDMI、VGA、USB 和其他接口免受 ESD（静电放电）的影响，请考虑以下保护策略：
- 并联 TVS 二极管：在 HDMI、VGA、USB 和其他接口的信号线上并联安装瞬态电压抑制 (TVS) 二极管。TVS 二极管有助于钳制由 ESD 引起的电压尖峰，保护敏感电路免受高压浪涌的影响。
- 添加小电容器：在接口附近放置小电容，形成低通滤波器。这些电容有助于吸收和滤除高频 ESD 脉冲，进一步保护显示器的内部元件。
2）按钮的 ESD 保护
为了保护按钮免受静电放电 (ESD) 的影响，可以采取以下措施：
- 导电橡胶垫：在按钮和电路板之间放置导电橡胶垫，以确保按下按钮时有效接地。导电橡胶为 ESD 提供了一条安全消散到地面的路径，降低了电路损坏的风险。
- 串联电阻：在按钮线上串联小电阻。这些电阻有助于限制可能流入电路的 ESD 电流，通过减少 ESD 脉冲的影响为敏感元件提供额外保护。
3）电源线的ESD保护
为了防止通过电源线的静电放电（ESD），可以采取以下措施：
- 共模扼流圈：在电源输入端安装共模电感器。这些电感器有助于抑制共模噪声并减少可通过电源线传导的 ESD 能量。
- X/Y 电容器：在电源输入端使用 X 和 Y 电容来滤除通过电源线传导的 ESD 脉冲。X 电容跨接在线路和中性线之间，而 Y 电容连接在线路/中性线和地之间。它们共同构成一个有效的滤波网络，以吸收和缓解高频 ESD 脉冲。
4) 带 RC 电路的复位引脚
为了保护复位引脚免受 ESD 的影响并确保稳定运行，可以添加 RC（电阻-电容）电路。建议的元件值为：
- R1 = 1kΩ（1千欧姆）：该电阻有助于限制流向复位引脚的电流，从而缓冲由于 ESD 引起的突然电压尖峰。
- C1 = 0.1 µF（微法拉）：该电容器充当滤波器，平滑任何快速的电压变化并为复位信号提供稳定性。
- C2 = 0.047 µF（微法拉）：可以并联一个额外的电容器来进一步完善滤波，确保复位引脚不易受到高频噪声和 ESD 脉冲的影响。
该 RC 电路有助于消除复位引脚的抖动，并提供额外的保护以防止静电放电和瞬态电压波动。
5）添加 ESD 环
建议在静电接触点处添加 TVS ESD 保护器件，利用其防静电特性，形成 ESD 放电路径，增强保护效果。此外，在面板上添加静电放电环 (ESD 环)。该环为静电放电提供了接地路径，从而保护 VCOM 和 Gate 线免受潜在损坏。
6）在每个 VCOM 点添加一个 TVS
建议在每个 VCOM 点添加 TVS（瞬态电压抑制）二极管，以增强 ESD 保护。具体来说，使用雷茂电子的 DFN0511 封装的 ULC1006CDN。该组件已成功应用，并在众多显示器客户中表现出令人满意的效果。
7）面板上裸露的走线
在面板上任何裸露的线路上涂抹绝缘胶或胶带。这有助于防止意外短路并保护线路免受 ESD 损坏。
8) 未使用的引脚
未使用的引脚不应悬空；相反，应将其连接到 MVDDL（最小电压差分数字逻辑）。这可防止悬空引脚拾取噪声或导致电路出现意外行为。
9）软件复位
实现软件重置功能。通过将软件重置为已知的良好状态，系统可以从 ESD 事件或其他问题导致的意外情况或故障中恢复。
10）示例：汽车液晶显示屏
问题描述：在静电放电 (ESD) 测试期间，屏幕在 ±6 kV 接触放电下通过，但在 ±8 kV 空气放电下失败。
分析：液晶屏与主控通过线材连接，接口类型为LVDS（Low-Voltage Differential Signaling，低压差分信号）。目前大屏主要采用LVDS和VBO（Video Bus Output，视频总线输出）差分接口，这种接口对共模干扰有较好的抑制作用。测试中发现的屏幕闪烁现象，可能是LVDS线受到干扰导致的。对LVDS线每条信号线施加500V-1000V的接触放电，发现在两对差分时钟线上，在500V-1000V时均出现屏幕闪烁现象。由此可以确定差分时钟信号特别容易受到ESD干扰。
解决方案：在LVDS线上增加铁氧体磁珠（磁环），增加磁环后再次进行ESD测试，测试通过。所选用的铁氧体磁珠频率阻抗特性曲线如下：
[若有可视格式的铁氧体磁珠的频率阻抗特性曲线，请在此处注明。]
通过使用这些铁氧体磁珠，可以显著降低对 ESD 干扰的敏感性，从而稳定差分时钟信号并防止屏幕闪烁。
11）不同外壳的防静电方法
TFT LCD 显示器很容易受到电磁干扰 (EMI) 和静电放电 (ESD) 的影响，尤其是当它们具有内置触摸屏时。关于 ESD，TFT LCD 显示器齐平安装在设备外部。放电可以到达 LCD 框架的边缘，并且不会被产品外壳完全消散。
更详细地讲，LCD 屏幕的框架通常连接到产品 PCB 的信号接地 (GND)。因此，任何放电电流都可能流入设备电路板。解决方案取决于最终产品的外壳是导电的还是非导电的。
- 导电（金属）外壳：确保 LCD 框架和边框台阶边缘之间的所有表面均紧密电连接。使用透明导电涂层，例如 ITO（氧化铟锡），表面电阻率延伸至边框台阶边缘。
- 非导电外壳：提供TFT LCD显示屏作为ESD的入口点。使用屏蔽扁平电缆将LCD框架连接到PCB接地；增加产品外壳和LCD显示模块之间的绝缘间隙（浮动）。
12）示例：白屏/蓝屏问题
白屏或者蓝屏是指模块的屏幕只显示背光，就像刚开机时一样，即使调整对比度也没有任何反应。
该问题是由于模块的电源线（VDD 或 VSS）或 RESET 信号线在工作过程中受到干扰，导致模块复位，从而导致模块内部寄存器初始化，显示屏关闭。
解决方案：
- 如果干扰来自于电源线，建议在 VDD 和 VSS 电源线之间尽量靠近模块的地方添加去耦电容（10µF）和滤波电容（0.1µF/0.01µF）。
- 如果干扰在RESET信号线上，建议在RESET信号线与VSS之间尽量靠近模块处增加滤波电容（容值为0.1µF或者0.01µF）。
电容值的选择应根据实际测试结果来确定。
13) 显示屏显示不正确的字符或随机像素（数据错误），只能通过电源循环解决
该问题是由于控制信号受到干扰，导致寄存器参数被修改，一般在显示数据时，没有对主工作寄存器参数进行重复写入，从而导致上述问题。
解决方案：
如果传输线上存在干扰：
- 使用铁氧体磁珠，或者用锡箔或薄铜片等材料屏蔽线路。
- 改变传输线的布线，避开有干扰的区域。
- 缩短传输线的长度或添加线路驱动器以增加驱动强度并提高抗噪能力。
14）找不到干扰点或电路预防措施不足以消除干扰时该怎么办？
如果无法识别干扰或电路预防措施无法防止其影响，请考虑以下解决方案：
定期寄存器初始化：不使用RESET信号，直接对寄存器进行操作进行初始化。如果发生崩溃且无法恢复，请使用RESET信号进行初始化。但这可能会导致正常显示时屏幕闪烁。为确保正常显示不受初始化影响：
a. 使用寄存器读取数据进行初始化：以从寄存器读取的数据，比如读取显示状态字或者特定的SRAM单元数据，作为判断是否需要初始化的依据。
b. 使用带背光控制的负显模块：对于带负显的模块，不使用时请关闭背光，这样不容易看清显示内容。当需要观察显示内容时，请打开背光，以此时刻作为重新初始化模块的时机，不太引人注意。
15）产品外壳（特别是产品面板）静电干扰测试导致模块白屏或显示错误
这种干扰主要是因为模块的金属框架或玻璃干扰了模块的电路。为了改善这种情况，请考虑以下方法：
- 将模块的金属框架接地。
- 将模块的金属框架连接到VSS（电路地）。
- 让模块的金属框架保持浮动（不连接任何东西）。
- 在模块的金属框架和金属外壳之间添加绝缘垫；绝缘垫越厚，静电的减少越多。
这四种方法都应该在实际产品中进行测试，以确定哪一种方法最有效。
16）无外界干扰源也会出现白屏或显示错误
这种情况也属于干扰，但属于系统内部干扰，主要由软件冲突引起。第一步是确定干扰发生的模式。此类问题更有可能发生在模块写入过程中，导致模块冻结或显示错误。
而婴儿腹泻的基本病因又包含以下几个方面：
- 模块操作（I/O寻址模式）期间中断例程干扰，导致修改控制信号或数据等错误操作，这可能导致模块冻结或显示不正确。
解决方案：操作模块时禁用中断响应，以防止在关键过程中受到干扰。
17）示例：使用TFT显示屏，产品底盘为金属材质，进行8000V静电放电（ESD）测试，导致显示屏显示乱码。重置和重新初始化模块无效，必须关闭电源并重新启动设备才能恢复正常运行。行业规定不允许底盘接地。
解决方案是将金属底盘换成丙烯酸（有机玻璃）外壳，并在主软件程序中添加定时循环刷新（初始化）程序。在 ESD 测试期间，当 LCD 模块因静电放电而重置时，刷新（初始化）程序会纠正该问题，只会导致短暂闪烁，然后恢复正常运行，从而通过测试。
18）示例：采用TFT显示屏，对产品底盘进行8kV静电放电（ESD）测试，导致模块无显示
为了改善这种情况，在模块的电源引脚上增加了一个 330μF 电容和一个浪涌保护二极管 (P6K1)，在驱动电源的输出 (VOUT) 上也增加了一个 330μF 电容。这些措施显著改善了这种情况。此外，模块的金属框架与底盘绝缘，保持 2mm 的间隙，这有助于通过 ESD 测试。
然而，尽管进行了这些改进，仍然偶尔会出现无显示的情况。为了彻底解决这个问题，我们在程序中增加了一个定期初始化例程，用于重置模块并从干扰中恢复。这彻底解决了显示干扰问题。
19）例：使用TFT显示器，在系统主电源线上施加4kV、150Hz正脉冲群干扰信号试验时，显示器出现乱码
针对此问题，我们在液晶模块接口处的电源线上增加了浪涌吸收器，并减少了冗余传输线的长度，这些措施使得系统通过了测试。
20）开关柜上使用TFT显示屏，受高压电磁干扰，模块无显示
为解决该问题，我们将系统电源更换为隔离电源，在模块的/RESET引脚接入0.01μF电容，断开模块金属边框与VSS的跳线，并加装绝缘垫，将模块金属边框与开关柜隔离。
21) TFT 显示屏与系统主板之间的连接线长度超过 700mm。在重复写入图形数据时，图形的右侧会逐步复制图形数据的最右字节
模块接口的输入信号波形测量结果良好，/WR = 0 宽度为 2μs。在接口信号中添加电容和上拉电阻后，波形没有明显改善。缩短电缆和添加铁氧体磁珠后波形明显改善，但并未完全解决问题。
在/WR信号线中插入施密特触发电路（74HC14）后，问题彻底解决。另外，在/WR信号线中插入680Ω电阻，也能彻底解决问题。
22）示例：LCD 显示屏出现蓝屏
在 ESD（静电放电）测试中，一台工业显示器每次在网络端口、USB 和串行端口以 ±6kV 进行测试时都会出现蓝屏，导致系统崩溃。它会在电源循环后自动恢复，但测试未通过。该板之前曾进行过多次设计修改，重点是接地、滤波和隔离，但这些都无法解决问题。因此，这次采取了一种诊断和纠正根本原因的策略，以识别和解决系统的弱点。
分析与解决方案：
根据观察到的现象，怀疑是CPU功能单元受到干扰，对核心子板（CPU模块电路）引脚进行分析，结合实践经验和信号功能性，发现信号特别敏感，容易受到ESD干扰。
为了识别 ESD 敏感信号，我们使用 ESD 枪对核心子板上的各个信号针脚施加 100V、300V、600V 和 1000V 的接触放电。在这些测试中，问题没有再次发生，从而排除了这些信号是问题的根源。
对核心子板上敏感电路的进一步分析表明，当对敏感的 DDR_CLK 信号施加 100V 接触放电时，问题始终会重复出现。每次施加放电时，问题都会重现。DDR_CLK 走线宽度为 4 mil，设计中没有测试焊盘，这限制了可用的缓解选项。
为了确定静态电磁场是否影响 DDR_CLK 时钟信号，将接地的金属线直接放置在 DDR_CLK 走线上方，并使用 ESD 枪以 6kV 电压对接地线的铜片进行放电。该问题在五次放电内重现，证实 ESD 的电磁辐射影响了 DDR_CLK 信号和 DDR 组件。
分辨率 ：
在确认电磁辐射影响核心板上的DDR模块，导致ESD问题再次发生后，我们用铜箔屏蔽并接地核心板区域，保护敏感的DDR信号和模块。屏蔽核心板模块后，对IO接口进行±6kV、8kV、10kV接触放电，每个测试连续放电40次。系统继续正常运行，表明问题已得到解决。
原因分析：
进一步验证发现影响整个系统的ESD是由于辐射耦合或电容耦合引起的，分析静电放电路径为：IO接口→单板PGND→金属背板→金属机箱→机箱盖→地线。
该路径解释了 ESD 如何影响敏感组件，证实了需要额外的屏蔽和接地来防止干扰。
当机箱盖未拧紧在金属机箱上或机箱盖未安装到位时，观察到没有静电放电（ESD）问题。这排除了辐射耦合的问题。在这种情况下，ESD放电路径如下：IO接口→单板PGND→金属背板→金属机箱。这表明核心板上敏感的DDR区域与机箱盖之间存在静电电容耦合（因为它们彼此非常接近），如下图所示。
综上所述，整个系统核心子板上的静电耦合简化模型如下图所示：
诊断时，在核心子板增加屏蔽罩后，此时的静电耦合模型如下图所示。
从图中可以看出，在核心子板上加装屏蔽罩后，机箱后盖的静电能量会直接耦合到金属屏蔽罩上，再通过屏蔽罩的接地针脚泄放到地上，从而避免了ESD直接耦合到DDR敏感模块上，解决了该问题。
综合以上分析，此次ESD问题是由于机箱后盖的静电干扰通过电容耦合到DDR模块电路引起的。
由于核心子板为客户公司的平台产品，模块上的DDR电路敏感度较高，因此建议无论在测试还是量产时，都使用屏蔽罩对敏感的核心子板模块进行保护，该方案简单有效、可靠。
23）LCD 显示器的 EMI 保护
主要方法是屏蔽容易受到EMI影响的元件。
a. 对于触摸控制器和LCD驱动IC等敏感元件，使用EMI屏蔽织物提供单面或双面保护。
b.由于部分液晶屏会发出高频信号，因此可以在底部采用金属框架，在顶部采用ITO（氧化铟锡）层进行屏蔽。
