負電壓 EOS：電源掉到自己的地以下

這塊板子在做什麼

消費性產品上的電容式觸控面板。觸控控制 IC 做在軟排線（COF）上，四條線回到主機端：兩條 I²C、一條中斷、一條重置，另外加上 3.3V 電源與地。主機端有一般的上拉電阻。這四條線上放了一顆低電容的 ESD 陣列，參考點接在 3.3V 電源與地。這顆料選得沒錯，位置也放得沒錯。

同一塊板子上還要驅動一顆喇叭。這句話比前面所有內容都重要。

從市場退回來的狀況

這從來不是生產問題。板子測試通過、出貨，幾個星期後退回來，觸控功能完全失效。分析後發現控制 IC 燒毀，電源腳與匯流排腳都有損傷。

直覺的判斷就是靜電。使用者整天在摸這個產品，觸控 IC 燒掉看起來就像是有一次放電穿過了保護元件。這個判斷會把整個調查方向帶到保護元件上：反應夠快嗎、箝位電壓夠低嗎、離連接器夠近嗎。這些問題都很合理，但它們問的都是錯的元件。

改變一切的線索

有人不再問「怎麼壞的」，而是把退回的整機在運轉狀態下直接量測。拿回來的波形，是在產品以最大音量播放音樂、而且沒有任何人碰觸面板的情況下擷取的。

這裡要小心區分它證明了什麼、沒證明什麼。它並沒有證明「只有播放音樂時才會異常」，也還沒有人在實驗室重現燒毀。它證明的是：在完全沒有使用者參與的情況下，產品自己就產生了遠超過控制 IC 額定範圍的電源擾動。

這一點就足以把調查方向從保護元件上移開。靜電放電需要一個帶電的物體接近接口，這裡沒有任何東西接近接口。如果沒有人碰產品時擾動就已經存在，能量就是從產品內部來的，而播放音樂只是告訴我們它從哪裡來的線索，不是問題的定義。

示波器量到什麼

四個通道：3.3V 電源、兩條匯流排、一條中斷。最大音量播放，沒有人碰任何地方。

這張波形有兩件事決定了後面所有的推論。

• 負向幅度達到 -3.26V。這不是小小的下衝，幾乎等於整個電源電壓翻到地以下。
• 它同時出現在 3.3V 電源與訊號線上，而且幅度相同。

第二點才是重點。訊號線上的靜電放電，只會出現在那條訊號線上。它不會在同一瞬間、以相同幅度出現在電源上，也不會跟著音樂的節奏重複。這張波形顯示的，是整個本地電源相對於量測用的地一起掉了下去。

真正該看的是 -0.3V，不是 -3.3V

所有關於這個失效的討論，用的都是「3.3V ±5%」。那是工作範圍，拿來討論失效是錯的數字。決定元件會不會壞的是絕對最大額定，這顆控制 IC 的規格是 -0.3V 到 3.63V。

注意這個範圍有多不對稱。電源以上還有 330mV 的餘裕，地以下只有 300mV，就這樣而已。而且這不是單一料號的特例：幾乎每一份 CMOS 規格書上，負方向的絕對最大額定都是 -0.3V 或 -0.5V，不管正方向的額定拉得多高。

所以安全工作區本來就不對稱，而窄的那一側正是沒有人會去檢查的那一側。實測到的擾動，大約超過它十倍。

晶片裡面發生了什麼事

CMOS 晶片的每一支腳位裡面，都有兩顆你的電路圖上沒有畫出來的二極體。一顆從腳位接到電源，一顆從地接到腳位。正常工作時腳位電位落在地與電源之間，兩顆都是逆偏，所以什麼事都不會發生。

現在把地固定在 0V，讓電源與腳位都到 -3.26V。有兩個地方會導通。

第一是下方那顆腳位二極體。它的陽極接地、陰極接腳位，現在被順偏超過 3V。它會強烈導通，電流只受迴路上剛好存在的電阻限制。

第二個更嚴重。在 P 型基板的 CMOS 製程裡，基板接地、N 井接電源，這個接面本身就是一顆陽極在地的二極體。當電源掉到地以下，整顆晶片上的這個接面都被順偏。晶片不是某一支腳被打到，而是整顆被反向供電。

這就是為什麼損傷不只集中在一支腳上，也說明了為什麼客戶自己的分析在還沒討論保護元件之前就得到了正確結論：反向電壓超過約 0.3V，晶片裡的電晶體與二極體就會進入順向導通。以音訊的頻率重複幾個星期，退回來的就是這個結果。

第一個提案

最先出現的建議，是在線上加一顆低電容的單向保護元件。它的理由很簡單，聽起來也很合理：單向元件在負方向就是一顆順向二極體，所以低於約 -0.7V 就會導通，線路被壓在 -0.7V 而不是 -3.26V。大約是五倍的改善，而且這顆料很便宜、電容幾乎不增加。

為什麼箝在 -0.7V 救不了額定 -0.3V 的晶片

在拆解這個說法之前，先把單向元件的優點講清楚，因為它是真的有道理。面對真正的負向靜電放電，而且訊號線本來就只走正電壓時，單向元件確實是比較好的選擇，理由也正如上面所說：它在約 -0.7V 就導通，而 5V 工作電壓的雙向元件要等到約 -6V 才動作。這不是某一家廠商的說法，而是業界共通的建議，在一般設計上值得照做。

問題是，這個推論搬到這個失效上還成不成立。答案是不成立，有三個原因，而且沒有一個是那個通則本身的錯。它們只是那個通則本來就不需要考慮的情況。

第一是目標值。順向電壓請從規格書上查，不要憑印象。這一類超低電容單向元件的規格是 最小 0.6V、典型 0.85V、最大 1.0V，而且只在 15mA 的條件下。大家熟悉的「0.7V」是課本上的近似值，不是規格。跟 -6V 相比，0.85V 是很好的結果；但跟 -0.3V 的絕對最大額定相比就不是，因為箝位落在你需要的數字的三倍左右，晶片仍然超出額定，它自己的接面仍然在導通。而且電流愈大情況愈差，因為順向電壓會隨電流上升，這正是同一份規格書為什麼會附上順向箝位電壓對電流曲線的原因。比較好，不等於安全。

第二點通常會被忽略。外加的二極體不是擋在晶片內部二極體前面，而是跟它並聯。

兩顆的陽極都在地、陰極都在線上。在一顆二極體旁邊再加一顆，不會把電流從第一顆身上移走，只會依照兩者的順向特性把電流分掉。要讓外加元件承擔幾乎全部的電流，它必須在明顯更低的電壓就導通，而一顆很小的低電容晶粒，並不一定就是先導通的那一顆。這件事值得在實驗室上實際比一次再依賴它，因為在比出來之前，「外加元件保護了內部元件」只是假設，不是結論。

第三是持續時間，這一點讓兩種情況完全分開。那顆元件的特性，是針對一百奈秒內結束的放電，或是幾十微秒的突波所定義的。被壓在 -0.7V 一百奈秒、發生幾次，它做得非常好；被跟著音樂壓在那裡、持續整個產品壽命，它在做的事情，規格書上沒有任何一行描述過。

我們自己的方案一樣救不了

這一段通常會被從這種文章裡拿掉，所以我們把它放在前面。

在 3.3V 匯流排上我們會拿的料，是工作電壓 5.5V 的雙向元件，在我們的產品線裡就是 PS0522G-F4，而且在幾乎所有其他情況下它都是正確答案。但在這個失效上，它完全沒有作用。它的崩潰電壓最小值是 6.2V，所以最早也要到 -6.2V 才會動作。實際擾動是 -3.26V，落在窗口裡面，元件根本不會導通，擾動就以 0.1µA 的漏電流從它旁邊直接穿過去。

所以單向元件箝到的電壓仍然會燒掉晶片，而雙向元件根本不箝位。大家一直在爭的單向對雙向，本身就是錯的問題。兩個答案都沒有解決這個失效。推薦我們的料只會賣掉一顆元件，客戶的退回率一點都不會變。

這張電路圖上還有一件事值得注意。這塊板子上的 ESD 陣列，參考點接在 3.3V 電源上，這在正常情況下正是你要的做法。但當電源本身掉到 -3.26V，陣列要箝位的那個參考點也跟著掉下去了。以電源為參考的陣列，好壞完全取決於那條電源。

ESD、EOS 與突波是三個不同的問題

這三件事常被當成同一個題目，因為三者用的是同一顆元件、放在同一個位置。但它們不是同一個題目。

• ESD 是奈秒等級的事件。上升時間約 1ns，大約 100ns 內結束，能量最多幾毫焦耳，而且一個產品一生只會遇到幾次。IEC 61000-4-2 的 ±8kV 接觸放電來自 150pF 的電容，儲存能量是 4.8mJ。
• 突波是微秒等級的事件。8/20µs 波形，能量以焦耳計而不是毫焦耳，而且很少發生。
• EOS 根本不是一個事件，而是一種狀態。它可以持續幾微秒，也可以一直持續下去，能量只受供應它的電源限制，而且會一直重複到有人改板為止。

把第三個算成數字看看。假設晶片內部二極體只流過 100mA，在 3.26V 之下。實際電流沒有人量過，100mA 是刻意保守的估計。那也已經是 0.33W，一秒就是 0.33J，大約是一次 ±8kV 接觸放電能量的七十倍。而且是每一秒，只要音樂還在播。

保護元件的規格書描述的是前兩類。它沒有描述第三類，而且上面任何數字的組合，都無法告訴你這顆料能不能在一個從未被定義過的狀態下存活。

負電壓從哪裡來

電源掉到自己的地以下，幾乎一定是下面三種情況之一。

1. 電感性的東西被關斷。電感上的電流不可能瞬間停止。喇叭線圈、馬達、電磁閥或繼電器，在驅動關斷時都會把驅動它的節點推到地以下。推得多低，取決於驅動關斷得多快，以及旁邊有什麼東西可以接住它。
2. 共用的回流路徑。大電流流過同時也承載數位地的銅箔時，會在那段銅箔上產生電壓。位在遠端的電路，整個參考電位就跟著移動。電路圖上完全看不出這件事，因為在電路圖上所有的地都是同一個節點。
3. 電源被拉低之後振盪。大的電流階躍結束時，如果那條電源的儲能電容不足、回到電源的路徑又長，就會產生下衝；如果這個迴路的電感夠大，下衝就會低於零。

這就是你一開始看到的那張圖，什麼都沒有移動。加上去的只是一段銅箔上的標示，而這正是這個失效藏得住的原因。在電路圖上每一個接地符號都是同一個節點，所以第二種機制是看不見的：根本沒有東西可以看。但在實際配置上就非常明顯。觸控模組坐在一段有大電流流過的銅箔的遠端，它坐得愈遠，參考電位能夠移動的幅度就愈大。

第四種可能，也就是從連接器進來的事件，是大家最先假設的那一種，而這張波形正好排除了它。它跟著音樂重複，而且是在沒有人碰產品的情況下發生。

究竟是前三種的哪一種，決定了要怎麼修，而一張用單一接地參考點量到的波形，沒辦法把它們區分開來。這是下一步要做的事，不是可以用猜的。

哪些產品會遇到這個問題

這一次發生在觸控面板上，但它跟觸控一點關係都沒有。任何把切換式或電感性負載放在低壓邏輯旁邊的板子，都可能發生同樣的事。我們最常看到的是：

• 音訊。電視、聲霸、智慧音箱、平板與手機裡的喇叭輸出與 D 類放大器。喇叭線圈就是電感，而且電流很大。
• 馬達驅動。家電、電動工具、掃地機器人與工業設備裡的有刷與無刷馬達、風扇、幫浦。每一次換相都是一次電感切換。
• 繼電器與電磁閥。智慧電表、門禁、販賣機、空調與工廠自動化裡的線圈。典型的負向反衝，也是典型的少放了一顆續流二極體。
• LED 背光與 LED 驅動板。顯示器、看板與儀表板裡的升壓與升降壓級，特別是有 PWM 調光的，那等於每秒把整個負載開關幾千次。
• 熱插拔與線材連接。USB、Type-C、擴充座連接器與電池模組，在帶電的狀態下接上，電源會先跳動再穩定。
• 車用與工業的 12V、24V 板子。長線束、模組之間共用的地，以及同一組電源上的電感性負載。

把這些串起來的不是應用，而是底下那個佈線問題：有沒有一組大的切換電流，和你的邏輯所參考的那個地共用銅箔？如果有，電源就可能跳動，而決定板子能不能活下來的，不是你資料線上的保護元件。

接下來要量什麼

四個量測，按這個順序做。都不需要新的硬體。

1. 換一個接地點。同樣的波形再量一次，但把接地夾接在觸控模組自己的地上，而不是主機的地。如果 -3.26V 消失了，代表電源根本沒有動：是兩個地彼此拉開了，這就是回流路徑的問題。
2. 直接量兩個地之間的電位差。一個通道接模組的地，用主機的地當參考。量到的東西，就是訊號線上任何元件都碰不到的那部分問題。
3. 加一個通道量喇叭電流。如果負向擾動對應的是驅動電流變化最快的瞬間，而不是音量最大的瞬間，那機制就是電感性的，而且發生在關斷的時候。
4. 同時看放大器自己的電源。如果那裡出現鏡像的波形，代表擾動是從電源進來的，觸控模組只是被牽連。

這大概是一個下午的工作，而它決定下面哪一個做法才是真正的解法。跳過它，產品就會變成三個版本換了三顆不同的保護元件，最後退回率一點都沒變。

真正能解決問題的做法

按照效果由大到小排列。

1. 讓兩個地不要相對移動。給喇叭一條自己回到電源的回流路徑，讓音訊電流不要和數位地共用銅箔。模組走軟排線時，增加接地線數並縮短迴路。這是佈線的工作，在下一版改板時是不用花錢的。
2. 把儲能電容放在放大器旁邊，不要放在連接器那一端。不會塌下去的電源，也就沒有東西可以振盪回來。
3. 在訊號線上加串聯電阻。這不會修好電源，也不能取代前面兩項，但它能限制電源真的跳動時，晶片內部二極體必須承受的電流。在使用千歐姆級上拉的匯流排上，加一百歐姆左右的代價很小。決定數值之前，請先確認低準位輸出與匯流排時序還有餘裕。
4. 如果做完以上還是可能被拉到地以下，就用一顆為連續電流設計的元件把它接住。從地到電源接一顆蕭特基二極體，陰極接電源，在低於零幾百毫伏時就會開始導通。即使如此也會落在 0.3 到 0.5V 左右，所以請把它當成把致命擾動變成可存活擾動的最後一道防線，而不是跳過前面兩項的理由。

請注意這個清單上沒有的東西：換一顆 ESD 陣列。不管是我們的還是別人的，沒有任何保護元件能把 -3.26V 的電源變成 -0.3V，因為保護元件本來就不是做這件事的。

ESD 元件保護的是 ESD

這不是廢話，這正是重點。保護元件的特性，是針對特定波形、特定持續時間與特定重複次數定義的。超出這些條件，它的行為根本沒有被定義過。它不是一張「腳位上發生任何不好的事都能接住」的安全網。

所以板子一直在壞的時候，該問的從來不是「我該換哪一顆保護元件」，而是另外三個問題：這是什麼事件、它持續多久、能量是從哪裡來的。回答了這三個，正確的元件或正確的佈線通常就很明顯。跳過它們，你可能會花一年去換一顆從頭到尾都不在路徑上的料。

在這塊板子上，第三個問題的答案是：從產品內部來，從它自己的喇叭來。觸控線上的任何元件都不可能解決這件事，而把這句話說出來，對客戶的價值比賣他一顆料更高。