음전압 EOS: 전원이 자기 접지보다 아래로 내려갔다

어떤 보드인가

소비자 제품의 정전용량식 터치 패널입니다. 터치 컨트롤러는 COF, 즉 연성 필름 위에 실장되어 있고, 네 개의 신호선이 호스트로 돌아갑니다. I²C 두 줄, 인터럽트, 리셋에 3.3V 전원과 접지가 더해집니다. 호스트 쪽에는 일반적인 풀업이 있습니다. 이 네 줄에는 저용량 ESD 어레이가 3.3V 전원과 접지를 기준으로 붙어 있습니다. 부품 선정도 배치도 정확히 맞습니다.

같은 보드가 스피커도 구동합니다. 이 한 문장이 앞의 모든 내용보다 중요해집니다.

현장에서 돌아온 것

이것은 생산 문제가 아니었습니다. 보드는 검사를 통과해 출하되었고, 몇 주 뒤에 터치 기능이 죽은 채로 돌아왔습니다. 분석 결과 컨트롤러가 파괴되어 있었고, 전원 핀과 버스 핀 양쪽에 손상이 있었습니다.

자연스러운 해석은 ESD입니다. 사용자가 하루 종일 이 제품을 만지므로, 터치 컨트롤러의 파괴는 보호 소자를 뚫고 들어온 방전처럼 보입니다. 이 해석은 조사 전체를 보호 소자 쪽으로 몰고 갑니다. 반응이 충분히 빠른가, 클램핑 전압이 충분히 낮은가, 커넥터에 충분히 가까운가. 모두 타당한 질문이지만, 모두 엉뚱한 부품에 대한 질문이었습니다.

모든 것을 바꾼 단서

누군가 "어떻게 고장 났는가"를 묻는 대신, 반품된 제품을 동작 상태 그대로 측정했습니다. 돌아온 파형은 제품이 최대 음량으로 음악을 재생하는 중에, 그리고 아무도 패널을 만지지 않은 상태에서 얻은 것이었습니다.

여기서 그것이 무엇을 증명하고 무엇을 증명하지 않는지 조심스럽게 나눠야 합니다. "재생 중에만 이상이 생긴다"는 증명되지 않았고, 파괴 자체를 실험실에서 재현한 사람도 아직 없습니다. 증명된 것은 사용자가 전혀 관여하지 않은 상태에서 제품 스스로 컨트롤러 정격을 크게 벗어나는 전원 변동을 만들어 낸다는 사실입니다.

그것만으로도 조사 대상을 보호 소자에서 옮기기에 충분합니다. 방전에는 대전된 물체가 포트에 접근해야 하는데, 여기서는 포트에 아무것도 접근하지 않습니다. 아무도 제품을 만지지 않는데 교란이 존재한다면 에너지는 제품 내부에서 오는 것입니다. 음악 재생은 그것이 어디서 오는지에 대한 단서일 뿐, 문제의 정의가 아닙니다.

파형이 보여준 것

네 개 채널입니다. 3.3V 전원, 버스 두 줄, 인터럽트 한 줄. 최대 음량 재생 중이며 아무도 어디에도 손대지 않았습니다.

이 파형에서 두 가지가 이후의 모든 것을 결정합니다.

• 변동 폭이 -3.26V에 이릅니다. 작은 언더슈트가 아니라 사실상 전원 전압 하나만큼 접지 아래로 내려간 것입니다.
• 그것이 3.3V 전원과 신호선에 같은 순간, 같은 진폭으로 나타납니다.

중요한 것은 두 번째입니다. 신호선의 정전기 방전은 그 신호선에 나타납니다. 같은 순간에 같은 진폭으로 전원에 나타나지 않고, 음악에 맞춰 반복되지도 않습니다. 이 파형이 보여주는 것은, 측정 기준이 되는 접지에 대해 로컬 전원 전체가 아래로 내려가고 있다는 상태입니다.

중요한 수치는 -3.3V가 아니라 -0.3V

이 불량에 대한 모든 논의가 "3.3V ±5%"를 사용했습니다. 그것은 동작 범위이며, 불량을 논할 때는 틀린 수치입니다. 부품의 생존을 결정하는 것은 절대 최대 정격이고, 이 컨트롤러의 경우 -0.3V에서 3.63V입니다.

이 범위가 얼마나 비대칭인지 보십시오. 전원 위로는 330mV의 여유가 있지만, 접지 아래로는 300mV, 그것이 전부입니다. 이것은 특정 품목의 특이점도 아닙니다. 거의 모든 CMOS 데이터시트에서 음의 절대 최대 정격은 양의 정격이 아무리 높아도 -0.3V 또는 -0.5V입니다.

즉 안전 동작 영역은 애초에 비대칭이고, 좁은 쪽이 바로 아무도 확인하지 않는 쪽입니다. 실측된 변동은 그것을 약 열 배 넘어섰습니다.

칩 내부에서 무슨 일이 벌어지는가

CMOS 칩의 모든 핀에는 회로도에 그려지지 않은 다이오드가 두 개 있습니다. 하나는 핀에서 전원으로, 다른 하나는 접지에서 핀으로 향합니다. 정상 동작에서는 핀이 접지와 전원 사이에 있으므로 둘 다 역바이어스이고 아무 일도 하지 않습니다.

이제 접지를 0V로 두고 전원과 핀을 -3.26V로 내려 봅니다. 도통하는 곳이 두 군데 있습니다.

첫째는 아래쪽 패드 다이오드입니다. 애노드가 접지, 캐소드가 핀이므로 3V 이상 순바이어스가 걸립니다. 루프에 우연히 존재하는 저항만이 전류를 제한하며 강하게 도통합니다.

둘째가 더 심각합니다. p형 기판 CMOS 공정에서는 기판이 접지에, n웰이 전원에 연결되며, 이 접합 자체가 애노드가 접지 쪽인 다이오드입니다. 전원이 접지 아래로 내려가면 이 접합이 칩 전체에서 순바이어스됩니다. 칩은 핀 하나에 스파이크를 맞고 있는 것이 아니라 거꾸로 전원을 공급받고 있습니다.

그래서 손상이 핀 하나에 국한되지 않았고, 보호 부품 이야기가 나오기 전에 고객의 자체 분석이 이미 올바른 결론에 도달했던 이유도 여기에 있습니다. 역전압이 대략 0.3V를 넘으면 칩 내부의 트랜지스터와 다이오드가 순방향 도통에 들어갑니다. 그것을 오디오 속도로 몇 주 반복하면 현장에서 돌아온 그대로의 결과가 됩니다.

첫 번째 제안

가장 먼저 나온 제안은 라인에 저용량 단방향 보호 소자를 넣는 것이었습니다. 근거는 단순하고 그럴듯하게 들립니다. 단방향 소자는 음의 방향에서는 그냥 순방향 다이오드이므로 약 -0.7V 아래에서 도통하고, 라인은 -3.26V가 아니라 -0.7V에 잡힌다는 것입니다. 약 다섯 배의 개선이고, 부품은 매우 저렴하며 용량도 거의 늘지 않습니다.

왜 -0.7V 클램핑이 -0.3V 정격 칩을 구하지 못하는가

이를 반박하기 전에 단방향 소자의 근거를 제대로 짚어야 합니다. 그것은 실제로 타당한 근거이기 때문입니다. 진짜 음의 ESD 과도에 대해, 그리고 양전압만 흐르는 라인이라면 단방향 소자가 분명히 더 나은 선택이며 이유도 위와 같습니다. 약 -0.7V에서 도통하는 반면, 5V 내압의 양방향 소자는 약 -6V까지 기다립니다. 이는 한 업체의 주장이 아니라 업계 공통의 지침이고, 일반적인 설계에서는 따를 가치가 있습니다.

문제는 그 논리를 이 불량으로 가져와도 성립하는가입니다. 성립하지 않습니다. 이유는 세 가지이고, 어느 것도 일반 지침의 결함이 아닙니다. 그저 그 지침이 고려할 필요가 없었던 조건일 뿐입니다.

첫째는 목표값입니다. 순방향 전압은 기억이 아니라 데이터시트에서 가져오십시오. 이 부류의 초저용량 단방향 소자의 규격은 최소 0.6V, 표준 0.85V, 최대 1.0V이며 그것도 15mA 조건에서만 규정되어 있습니다. 익숙한 "0.7V"는 교과서적 근사이지 규격이 아닙니다. -6V와 비교하면 0.85V는 훌륭한 결과이지만, -0.3V의 절대 최대 정격과 비교하면 그렇지 않습니다. 필요했던 수치의 약 세 배에서 클램핑되고, 칩은 여전히 정격 밖이며 자신의 접합도 여전히 도통합니다. 게다가 일을 많이 할수록 나빠집니다. 순방향 전압은 전류에 따라 올라가기 때문이고, 같은 데이터시트에 순방향 클램핑 전압 대 전류 곡선이 실려 있는 이유가 바로 그것입니다. 더 낫다는 것과 안전하다는 것은 같지 않습니다.

둘째는 보통 놓치는 점입니다. 외부 다이오드는 온칩 다이오드 앞에 있는 것이 아니라 그것과 병렬로 있습니다.

둘 다 애노드가 접지, 캐소드가 라인 쪽입니다. 다이오드 옆에 다이오드를 하나 더해도 첫 번째에서 전류를 없애는 것이 아니라, 두 소자의 순방향 특성에 따라 전류가 나뉠 뿐입니다. 외부 부품이 거의 전부를 감당하려면 칩 내부 다이오드보다 확연히 낮은 전압에서 도통해야 하는데, 작은 저용량 다이가 반드시 먼저 도통하는 쪽이라고 볼 근거는 없습니다. 이는 의지하기 전에 실험대에서 한 번 비교해 볼 가치가 있는 항목입니다. 비교하기 전까지 "외부 부품이 내부를 보호한다"는 결론이 아니라 가정일 뿐입니다.

셋째는 지속 시간이고, 이것이 두 상황을 완전히 갈라놓습니다. 그 소자의 특성은 100나노초 안에 끝나는 방전, 또는 수십 마이크로초의 서지에 대해 규정되어 있습니다. -0.7V에 100나노초씩 몇 번 잡혀 있는 것이라면 소자는 제 역할을 완벽히 하고 있습니다. 음악에 맞춰 제품 수명 내내 그 상태로 잡혀 있다면, 그것은 데이터시트 어느 줄에도 없는 동작입니다.

우리 답도 마찬가지로 소용없다

이런 글에서는 보통 빼는 대목이므로, 오히려 앞쪽에 둡니다.

3.3V 버스에서 우리가 집는 부품은 내압 5.5V의 양방향 소자이고, 우리 제품군에서는 PS0522G-F4입니다. 다른 거의 모든 상황에서 이것이 정답입니다. 그러나 이 불량에서는 아무 일도 하지 않습니다. 항복 전압 최솟값이 6.2V이므로, 빨라야 라인이 -6.2V에 도달해야 동작합니다. 실제 변동은 -3.26V입니다. 윈도 안쪽에 있어서 소자는 한 번도 도통하지 않고, 변동은 0.1µA의 누설 상태 그대로 통과해 버립니다.

결국 단방향 소자는 여전히 칩을 파괴하는 수준에서 클램핑하고, 양방향 소자는 아예 클램핑하지 않습니다. 모두가 벌이던 단방향 대 양방향 논쟁은 질문 자체가 틀렸던 것입니다. 두 답 모두 이 불량을 다루지 않습니다. 우리 부품을 권했다면 부품 하나는 팔렸겠지만 고객의 반품률은 그대로였을 것입니다.

이 회로도에서 한 가지 더 주목할 점이 있습니다. 이 보드의 ESD 어레이는 3.3V 전원을 기준으로 삼는데, 보통은 그것이 바로 원하는 구성입니다. 그러나 전원 자체가 -3.26V로 내려가면 어레이가 클램핑할 기준도 함께 내려가 버립니다. 전원 기준 어레이는 그 전원만큼만 좋습니다.

ESD, EOS, 서지는 서로 다른 세 가지 문제

세 가지 모두 같은 부품이 같은 자리에 들어가기 때문에 하나의 주제로 묶여 다뤄지곤 합니다. 하나의 주제가 아닙니다.

• ESD는 나노초 단위의 사건입니다. 상승 시간 약 1ns, 대략 100ns 안에 끝나며, 에너지는 많아야 수 밀리줄이고, 제품 수명 동안 몇 번 일어납니다. IEC 61000-4-2의 ±8kV 접촉 방전은 150pF 소스에서 오므로 저장 에너지는 4.8mJ입니다.
• 서지는 마이크로초 단위의 사건입니다. 8/20µs 파형이고, 밀리줄이 아니라 줄 단위이며, 드물게 일어납니다.
• EOS는 사건이 아니라 상태입니다. 수 마이크로초일 수도, 영원히 이어질 수도 있고, 에너지는 공급원에 의해서만 제한되며, 누군가 보드를 고칠 때까지 반복됩니다.

세 번째를 숫자로 만들어 봅니다. 온칩 다이오드가 3.26V에서 100mA만 흘린다고 가정합니다. 실제 전류는 아무도 측정하지 않았고 100mA는 의도적으로 보수적인 추정입니다. 그래도 0.33W이며, 1초면 0.33J로 ±8kV 접촉 방전 한 번의 약 70배 에너지입니다. 그것도 매초, 음악이 나오는 내내.

보호 소자의 데이터시트는 앞의 두 범주를 기술합니다. 세 번째는 기술하지 않으며, 거기 실린 어떤 수치의 조합도 규정된 적 없는 상태에서 그 부품이 살아남을지 알려주지 못합니다.

음전압은 어디서 오는가

전원이 자기 접지 아래로 내려가는 원인은 거의 언제나 다음 세 가지 중 하나입니다.

1. 유도성 부하가 꺼질 때. 인덕터의 전류는 순간적으로 멈추지 않습니다. 스피커 코일, 모터, 솔레노이드, 릴레이는 구동이 꺼질 때 자신을 구동하던 노드를 접지 아래로 밀어냅니다. 얼마나 내려가는지는 구동이 얼마나 빨리 끊기는지, 그리고 그것을 받아줄 것이 있는지에 달려 있습니다.
2. 공유된 리턴 경로. 디지털 접지를 함께 담당하는 구리에 큰 부하 전류가 흐르면 그 구리에 전압이 생깁니다. 먼 쪽에 있는 회로는 기준 자체가 움직입니다. 회로도에는 이에 대한 어떤 힌트도 없습니다. 회로도에서는 모든 접지가 같은 노드이기 때문입니다.
3. 전원이 끌려 내려간 뒤 울리는 경우. 큰 전류 스텝이 끝날 때, 벌크 커패시터가 부족하고 전원까지의 경로가 긴 전원은 언더슈트합니다. 그 루프의 인덕턴스가 충분히 크면 언더슈트는 0 아래로 내려갑니다.

처음에 본 것과 같은 그림이고 아무것도 옮기지 않았습니다. 더한 것은 구리 한 구간에 대한 표시뿐이며, 바로 그 점이 이 불량이 숨을 수 있는 이유입니다. 회로도에서는 모든 접지 기호가 같은 노드이므로 두 번째 메커니즘은 보이지 않습니다. 말 그대로 볼 것이 없습니다. 물리적 배치에서는 명백합니다. 터치 모듈은 큰 오디오 전류가 흐르는 구리의 먼 끝에 앉아 있고, 멀리 앉을수록 기준이 움직일 수 있는 폭도 커집니다.

네 번째 가능성, 즉 커넥터를 통해 들어오는 사건은 모두가 가장 먼저 가정하는 것이자 이 파형이 배제하는 것입니다. 음악에 맞춰 반복되고, 아무도 제품을 만지지 않은 상태에서 일어나기 때문입니다.

앞의 셋 중 무엇인지가 대책을 결정하는데, 하나의 접지 기준으로 얻은 한 장의 파형으로는 구분할 수 없습니다. 이것이 다음에 할 일이며, 추측으로 넘길 일이 아닙니다.

어떤 제품에서 생기는가

이번에는 터치 패널에서 일어났지만, 터치에 국한된 요소는 하나도 없습니다. 스위칭 부하나 유도성 부하를 저전압 로직 옆에 두는 보드라면 어디서든 같은 일이 생길 수 있습니다. 가장 자주 보는 것들입니다.

• 오디오. TV, 사운드바, 스마트 스피커, 태블릿, 휴대폰의 스피커 출력과 D급 앰프. 스피커 코일은 인덕터이고 전류도 큽니다.
• 모터 구동. 가전, 전동 공구, 로봇 청소기, 산업 장비의 브러시 및 BLDC 모터, 팬, 펌프. 정류할 때마다 유도성 스위칭이 일어납니다.
• 릴레이와 솔레노이드. 스마트 미터, 출입 통제, 자판기, 공조, 공장 자동화의 코일. 전형적인 음의 킥백이자 전형적인 환류 다이오드 누락입니다.
• LED 백라이트와 LED 드라이버 보드. 모니터, 사이니지, 계기판의 승압 및 승강압단. 특히 PWM 디밍이 있으면 초당 수천 번 부하 전체를 켜고 끄는 셈입니다.
• 핫플러그와 케이블 연결. USB, Type-C, 도킹 커넥터, 배터리 팩처럼 전원이 살아 있는 상태에서 연결되어 전원이 안정되기 전에 움직이는 경우입니다.
• 차량용 및 산업용 12V, 24V 보드. 긴 하네스, 모듈 간 공유 접지, 같은 전원 위의 유도성 부하.

이들을 잇는 것은 용도가 아니라 그 아래의 배선 질문입니다. 큰 스위칭 전류가 여러분의 로직이 기준으로 삼는 접지와 구리를 공유하고 있는가? 공유한다면 전원은 움직일 수 있고, 보드의 생존을 결정하는 것은 데이터 라인의 보호 소자가 아닙니다.

다음에 측정할 것

네 가지 측정을 이 순서로 하십시오. 새 장비는 필요 없습니다.

1. 스코프 접지를 옮긴다. 같은 파형을, 접지 리드를 호스트가 아니라 터치 모듈 자체의 접지에 물려 다시 잡습니다. -3.26V가 사라진다면 전원은 어디로도 가지 않았습니다. 두 접지가 서로 벌어진 것이고, 이는 리턴 경로 문제입니다.
2. 두 접지 사이를 직접 측정한다. 한 채널을 모듈 접지에, 호스트 접지를 기준으로 둡니다. 거기에 나타나는 것이 신호선의 어떤 소자도 닿을 수 없는 부분의 문제입니다.
3. 스피커 전류를 채널로 추가한다. 음의 변동이 최대 음량 순간이 아니라 구동 전류가 가장 빠르게 변하는 순간과 일치한다면, 메커니즘은 유도성이며 차단 시점에 일어나고 있습니다.
4. 같은 순간에 앰프 자체의 전원도 본다. 거기에 거울상이 나타난다면 교란은 전원을 통해 들어오고 있으며 터치 모듈은 곁다리입니다.

반나절이면 되는 작업이고, 이것이 아래 대책 중 무엇이 진짜인지를 결정합니다. 건너뛰면 세 번의 개정판에 걸쳐 세 가지 보호 부품을 갈아 끼우고도 반품률은 그대로인 제품이 됩니다.

실제로 해결되는 방법

효과가 큰 순서대로입니다.

1. 두 접지가 서로 움직이지 않게 한다. 스피커에 전원까지의 전용 리턴을 주어 오디오 전류가 디지털 접지와 구리를 공유하지 않게 합니다. 모듈이 연성 필름이라면 접지 도체를 늘리고 루프를 짧게 합니다. 배선 작업이고 다음 개정판에서는 비용이 들지 않습니다.
2. 벌크 커패시터는 앰프 옆에 둔다, 커넥터 쪽이 아니라. 주저앉지 않는 전원에는 되울릴 것이 없습니다.
3. 신호선에 직렬 저항을 넣는다. 이것은 전원을 고치지 못하고 앞의 두 가지를 대신하지도 못하지만, 전원이 실제로 움직일 때 온칩 다이오드가 감당할 전류를 제한합니다. 킬로옴급 풀업을 쓰는 버스라면 100옴 정도의 대가는 아주 작습니다. 값을 정하기 전에 로우 레벨 출력 여유와 버스 타이밍을 확인하십시오.
4. 그래도 접지 아래로 끌릴 수 있다면, 연속 전류용으로 만들어진 부품으로 받아낸다. 접지에서 전원으로 캐소드가 전원 쪽인 쇼트키를 넣으면 0보다 수백 밀리볼트 아래에서 도통하기 시작합니다. 그래도 0.3에서 0.5V 정도에 걸리므로, 치명적인 변동을 살아남을 수 있는 변동으로 바꾸는 마지막 방벽으로 보십시오. 앞의 두 가지를 건너뛰어도 된다는 뜻이 아닙니다.

이 목록에 없는 것에 주목하십시오. 다른 ESD 어레이입니다. 우리 것이든 다른 회사 것이든, -3.26V의 전원을 -0.3V로 바꾸는 보호 소자는 없습니다. 보호 소자는 그러라고 있는 것이 아니기 때문입니다.

ESD 소자가 막는 것은 ESD입니다

동어 반복이 아니라 그것이 핵심입니다. 보호 소자는 특정 파형, 특정 지속 시간, 특정 반복 횟수에 대해 규정됩니다. 그 밖에서는 동작이 전혀 정의되어 있지 않습니다. 핀에 생기는 온갖 나쁜 일을 받아주는 만능 안전망이 아닙니다.

그러므로 보드가 계속 죽고 있을 때 던질 질문은 결코 "어떤 보호 부품을 넣을까"가 아닙니다. 다른 세 가지 질문입니다. 이것은 무슨 사건인가, 얼마나 지속되는가, 에너지는 어디서 오는가. 여기에 답하면 올바른 부품 또는 올바른 배선은 대개 자명해집니다. 건너뛰면 애초에 경로에 있지도 않던 부품을 1년 동안 바꿔 가며 보낼 수 있습니다.

이 보드에서 세 번째 질문의 답은 제품 내부, 바로 자기 스피커였습니다. 터치 라인의 어떤 부품도 그것을 고칠 수 없었고, 그 사실을 그대로 말해 주는 것이 부품 하나를 파는 것보다 고객에게 더 가치 있었습니다.