负电压 EOS：电源掉到自己的地以下

这块板子在做什么

消费类产品上的电容式触控面板。触控控制 IC 做在软排线（COF）上，四条线回到主机端：两条 I²C、一条中断、一条复位，另外加上 3.3V 电源与地。主机端有常规的上拉电阻。这四条线上放了一颗低电容的 ESD 阵列，参考点接在 3.3V 电源与地。这颗料选得没错，位置也放得没错。

同一块板子上还要驱动一颗扬声器。这句话比前面所有内容都重要。

从市场退回来的状况

这从来不是生产问题。板子测试通过、出货，几个星期后退回来，触控功能完全失效。分析后发现控制 IC 烧毁，电源脚与总线脚都有损伤。

直觉的判断就是静电。用户整天在摸这个产品，触控 IC 烧掉看起来就像是有一次放电穿过了保护器件。这个判断会把整个调查方向带到保护器件上：反应够快吗、钳位电压够低吗、离连接器够近吗。这些问题都很合理，但它们问的都是错的元件。

改变一切的线索

有人不再问“怎么坏的”，而是把退回的整机在运行状态下直接测量。拿回来的波形，是在产品以最大音量播放音乐、而且没有任何人触摸面板的情况下采集的。

这里要小心区分它证明了什么、没证明什么。它并没有证明“只有播放音乐时才会异常”，也还没有人在实验室复现烧毁。它证明的是：在完全没有用户参与的情况下，产品自己就产生了远超过控制 IC 额定范围的电源扰动。

这一点就足以把调查方向从保护器件上移开。静电放电需要一个带电的物体接近接口，这里没有任何东西接近接口。如果没有人碰产品时扰动就已经存在，能量就是从产品内部来的，而播放音乐只是告诉我们它从哪里来的线索，不是问题的定义。

示波器测到什么

四个通道：3.3V 电源、两条总线、一条中断。最大音量播放，没有人碰任何地方。

这张波形有两件事决定了后面所有的推论。

• 负向幅度达到 -3.26V。这不是小小的下冲，几乎等于整个电源电压翻到地以下。
• 它同时出现在 3.3V 电源与信号线上，而且幅度相同。

第二点才是重点。信号线上的静电放电，只会出现在那条信号线上。它不会在同一瞬间、以相同幅度出现在电源上，也不会跟着音乐的节奏重复。这张波形显示的，是整个本地电源相对于测量用的地一起掉了下去。

真正该看的是 -0.3V，不是 -3.3V

所有关于这个失效的讨论，用的都是“3.3V ±5%”。那是工作范围，拿来讨论失效是错的数字。决定器件会不会坏的是绝对最大额定，这颗控制 IC 的规格是 -0.3V 到 3.63V。

注意这个范围有多不对称。电源以上还有 330mV 的余量，地以下只有 300mV，就这样而已。而且这不是单一料号的特例：几乎每一份 CMOS 数据手册上，负方向的绝对最大额定都是 -0.3V 或 -0.5V，不管正方向的额定拉得多高。

所以安全工作区本来就不对称，而窄的那一侧正是没有人会去检查的那一侧。实测到的扰动，大约超过它十倍。

芯片里面发生了什么事

CMOS 芯片的每一个引脚里面，都有两颗你的原理图上没有画出来的二极管。一颗从引脚接到电源，一颗从地接到引脚。正常工作时引脚电位落在地与电源之间，两颗都是反偏，所以什么事都不会发生。

现在把地固定在 0V，让电源与引脚都到 -3.26V。有两个地方会导通。

第一是下方那颗引脚二极管。它的阳极接地、阴极接引脚，现在被正偏超过 3V。它会强烈导通，电流只受回路上恰好存在的电阻限制。

第二个更严重。在 P 型衬底的 CMOS 工艺里，衬底接地、N 阱接电源，这个结本身就是一颗阳极在地的二极管。当电源掉到地以下，整颗芯片上的这个结都被正偏。芯片不是某一个引脚被打到，而是整颗被反向供电。

这就是为什么损伤不只集中在一个引脚上，也说明了为什么客户自己的分析在还没讨论保护器件之前就得到了正确结论：反向电压超过约 0.3V，芯片里的晶体管与二极管就会进入正向导通。以音频的频率重复几个星期，退回来的就是这个结果。

第一个提案

最先出现的建议，是在线上加一颗低电容的单向保护器件。它的理由很简单，听起来也很合理：单向器件在负方向就是一颗正向二极管，所以低于约 -0.7V 就会导通，线路被压在 -0.7V 而不是 -3.26V。大约是五倍的改善，而且这颗料很便宜、电容几乎不增加。

为什么钳在 -0.7V 救不了额定 -0.3V 的芯片

在拆解这个说法之前，先把单向器件的优点讲清楚，因为它是真的有道理。面对真正的负向静电放电，而且信号线本来就只走正电压时，单向器件确实是更好的选择，理由也正如上面所说：它在约 -0.7V 就导通，而 5V 工作电压的双向器件要等到约 -6V 才动作。这不是某一家厂商的说法，而是业界共通的建议，在一般设计上值得照做。

问题是，这个推论搬到这个失效上还成不成立。答案是不成立，有三个原因，而且没有一个是那个通则本身的错。它们只是那个通则本来就不需要考虑的情况。

第一是目标值。正向电压请从数据手册上查，不要凭印象。这一类超低电容单向器件的规格是 最小 0.6V、典型 0.85V、最大 1.0V，而且只在 15mA 的条件下。大家熟悉的“0.7V”是课本上的近似值，不是规格。跟 -6V 相比，0.85V 是很好的结果；但跟 -0.3V 的绝对最大额定相比就不是，因为钳位落在你需要的数字的三倍左右，芯片仍然超出额定，它自己的结仍然在导通。而且电流越大情况越差，因为正向电压会随电流上升，这正是同一份数据手册为什么会附上正向钳位电压对电流曲线的原因。更好，不等于安全。

第二点通常会被忽略。外加的二极管不是挡在芯片内部二极管前面，而是跟它并联。

两颗的阳极都在地、阴极都在线上。在一颗二极管旁边再加一颗，不会把电流从第一颗身上移走，只会按照两者的正向特性把电流分掉。要让外加器件承担几乎全部的电流，它必须在明显更低的电压就导通，而一颗很小的低电容晶粒，并不一定就是先导通的那一颗。这件事值得在实验室实际比一次再依赖它，因为在比出来之前，“外加器件保护了内部器件”只是假设，不是结论。

第三是持续时间，这一点让两种情况完全分开。那颗器件的特性，是针对一百纳秒内结束的放电，或是几十微秒的浪涌所定义的。被压在 -0.7V 一百纳秒、发生几次，它做得非常好；被跟着音乐压在那里、持续整个产品寿命，它在做的事情，数据手册上没有任何一行描述过。

我们自己的方案一样救不了

这一段通常会被从这种文章里拿掉，所以我们把它放在前面。

在 3.3V 总线上我们会拿的料，是工作电压 5.5V 的双向器件，在我们的产品线里就是 PS0522G-F4，而且在几乎所有其他情况下它都是正确答案。但在这个失效上，它完全没有作用。它的击穿电压最小值是 6.2V，所以最早也要到 -6.2V 才会动作。实际扰动是 -3.26V，落在窗口里面，器件根本不会导通，扰动就以 0.1µA 的漏电流从它旁边直接穿过去。

所以单向器件钳到的电压仍然会烧掉芯片，而双向器件根本不钳位。大家一直在争的单向对双向，本身就是错的问题。两个答案都没有解决这个失效。推荐我们的料只会卖掉一颗器件，客户的退货率一点都不会变。

这张电路图上还有一件事值得注意。这块板子上的 ESD 阵列，参考点接在 3.3V 电源上，这在正常情况下正是你要的做法。但当电源本身掉到 -3.26V，阵列要钳位的那个参考点也跟着掉下去了。以电源为参考的阵列，好坏完全取决于那条电源。

ESD、EOS 与浪涌是三个不同的问题

这三件事常被当成同一个题目，因为三者用的是同一颗器件、放在同一个位置。但它们不是同一个题目。

• ESD 是纳秒级的事件。上升时间约 1ns，大约 100ns 内结束，能量最多几毫焦耳，而且一个产品一生只会遇到几次。IEC 61000-4-2 的 ±8kV 接触放电来自 150pF 的电容，储存能量是 4.8mJ。
• 浪涌是微秒级的事件。8/20µs 波形，能量以焦耳计而不是毫焦耳，而且很少发生。
• EOS 根本不是一个事件，而是一种状态。它可以持续几微秒，也可以一直持续下去，能量只受供应它的电源限制，而且会一直重复到有人改板为止。

把第三个算成数字看看。假设芯片内部二极管只流过 100mA，在 3.26V 之下。实际电流没有人测过，100mA 是刻意保守的估计。那也已经是 0.33W，一秒就是 0.33J，大约是一次 ±8kV 接触放电能量的七十倍。而且是每一秒，只要音乐还在播。

保护器件的数据手册描述的是前两类。它没有描述第三类，而且上面任何数字的组合，都无法告诉你这颗料能不能在一个从未被定义过的状态下存活。

负电压从哪里来

电源掉到自己的地以下，几乎一定是下面三种情况之一。

1. 电感性的东西被关断。电感上的电流不可能瞬间停止。扬声器线圈、电机、电磁阀或继电器，在驱动关断时都会把驱动它的节点推到地以下。推得多低，取决于驱动关断得多快，以及旁边有什么东西可以接住它。
2. 共用的回流路径。大电流流过同时也承载数字地的铜箔时，会在那段铜箔上产生电压。位于远端的电路，整个参考电位就跟着移动。原理图上完全看不出这件事，因为在原理图上所有的地都是同一个节点。
3. 电源被拉低之后振荡。大的电流阶跃结束时，如果那条电源的储能电容不足、回到电源的路径又长，就会产生下冲；如果这个回路的电感够大，下冲就会低于零。

这就是你一开始看到的那张图，什么都没有移动。加上去的只是一段铜箔上的标示，而这正是这个失效藏得住的原因。在原理图上每一个接地符号都是同一个节点，所以第二种机制是看不见的：根本没有东西可以看。但在实际布局上就非常明显。触控模块坐在一段有大电流流过的铜箔的远端，它坐得越远，参考电位能够移动的幅度就越大。

第四种可能，也就是从连接器进来的事件，是大家最先假设的那一种，而这张波形正好排除了它。它跟着音乐重复，而且是在没有人碰产品的情况下发生。

究竟是前三种的哪一种，决定了要怎么修，而一张用单一接地参考点测到的波形，没办法把它们区分开来。这是下一步要做的事，不是可以用猜的。

哪些产品会遇到这个问题

这一次发生在触控面板上，但它跟触控一点关系都没有。任何把开关式或电感性负载放在低压逻辑旁边的板子，都可能发生同样的事。我们最常看到的是：

• 音频。电视、回音壁音箱、智能音箱、平板电脑与手机里的扬声器输出与 D 类放大器。扬声器线圈就是电感，而且电流很大。
• 电机驱动。家电、电动工具、扫地机器人与工业设备里的有刷与无刷电机、风扇、水泵。每一次换相都是一次电感开关。
• 继电器与电磁阀。智能电表、门禁、自动售货机、暖通空调与工厂自动化里的线圈。典型的负向反冲，也是典型的少放了一颗续流二极管。
• LED 背光与 LED 驱动板。显示器、广告牌与仪表盘里的升压与升降压级，特别是有 PWM 调光的，那等于每秒把整个负载开关几千次。
• 热插拔与线缆连接。USB、Type-C、扩展坞连接器与电池模块，在带电的状态下接上，电源会先跳动再稳定。
• 车规与工业的 12V、24V 板子。长线束、模块之间共用的地，以及同一组电源上的电感性负载。

把这些串起来的不是应用，而是底下那个布线问题：有没有一组大的开关电流，和你的逻辑所参考的那个地共用铜箔？如果有，电源就可能跳动，而决定板子能不能活下来的，不是你数据线上的保护器件。

接下来要测什么

四个测量，按这个顺序做。都不需要新的硬件。

1. 换一个接地点。同样的波形再测一次，但把接地夹接在触控模块自己的地上，而不是主机的地。如果 -3.26V 消失了，代表电源根本没有动：是两个地彼此拉开了，这就是回流路径的问题。
2. 直接测两个地之间的电位差。一个通道接模块的地，用主机的地当参考。测到的东西，就是信号线上任何器件都碰不到的那部分问题。
3. 加一个通道测扬声器电流。如果负向扰动对应的是驱动电流变化最快的瞬间，而不是音量最大的瞬间，那机制就是电感性的，而且发生在关断的时候。
4. 同时看放大器自己的电源。如果那里出现镜像的波形，代表扰动是从电源进来的，触控模块只是被牵连。

这大概是一个下午的工作，而它决定下面哪一个做法才是真正的解法。跳过它，产品就会变成三个版本换了三颗不同的保护器件，最后退货率一点都没变。

真正能解决问题的做法

按照效果由大到小排列。

1. 让两个地不要相对移动。给扬声器一条自己回到电源的回流路径，让音频电流不要和数字地共用铜箔。模块走软排线时，增加接地线数并缩短回路。这是布线的工作，在下一版改板时是不用花钱的。
2. 把储能电容放在放大器旁边，不要放在连接器那一端。不会塌下去的电源，也就没有东西可以振荡回来。
3. 在信号线上加串联电阻。这不会修好电源，也不能取代前面两项，但它能限制电源真的跳动时，芯片内部二极管必须承受的电流。在使用千欧级上拉的总线上，加一百欧左右的代价很小。决定数值之前，请先确认低电平输出与总线时序还有余量。
4. 如果做完以上还是可能被拉到地以下，就用一颗为连续电流设计的器件把它接住。从地到电源接一颗肖特基二极管，阴极接电源，在低于零几百毫伏时就会开始导通。即使如此也会落在 0.3 到 0.5V 左右，所以请把它当成把致命扰动变成可存活扰动的最后一道防线，而不是跳过前面两项的理由。

请注意这个清单上没有的东西：换一颗 ESD 阵列。不管是我们的还是别人的，没有任何保护器件能把 -3.26V 的电源变成 -0.3V，因为保护器件本来就不是做这件事的。

ESD 器件保护的是 ESD

这不是废话，这正是重点。保护器件的特性，是针对特定波形、特定持续时间与特定重复次数定义的。超出这些条件，它的行为根本没有被定义过。它不是一张“引脚上发生任何不好的事都能接住”的安全网。

所以板子一直在坏的时候，该问的从来不是“我该换哪一颗保护器件”，而是另外三个问题：这是什么事件、它持续多久、能量是从哪里来的。回答了这三个，正确的元件或正确的布线通常就很明显。跳过它们，你可能会花一年去换一颗从头到尾都不在路径上的料。

在这块板子上，第三个问题的答案是：从产品内部来，从它自己的扬声器来。触控线上的任何器件都不可能解决这件事，而把这句话说出来，对客户的价值比卖他一颗料更高。