EOS do điện áp âm: nguồn tụt xuống dưới chính đất của nó

Bo mạch này là gì

Một tấm cảm ứng điện dung trên sản phẩm tiêu dùng. IC điều khiển cảm ứng nằm trên dải mạch mềm (COF), và bốn đường tín hiệu chạy về phía host: hai đường I²C, một đường ngắt, một đường reset, cộng với nguồn 3.3 V và đất. Phía host có điện trở kéo lên thông thường. Trên bốn đường đó có một mảng ESD điện dung thấp, lấy chuẩn theo nguồn 3.3 V và đất. Linh kiện chọn đúng, vị trí đặt cũng đúng.

Cùng bo mạch đó còn phải kéo một chiếc loa. Câu này quan trọng hơn tất cả những gì đứng trước nó.

Hàng trả về từ thị trường

Đây chưa bao giờ là vấn đề sản xuất. Bo mạch qua kiểm tra, xuất hàng, rồi vài tuần sau trả về với chức năng cảm ứng chết hẳn. Phân tích cho thấy IC điều khiển bị cháy, hỏng cả ở chân nguồn lẫn chân bus.

Cách hiểu tự nhiên là ESD. Người dùng chạm vào sản phẩm này cả ngày, nên một IC cảm ứng cháy trông đúng như một cú phóng điện lọt qua linh kiện bảo vệ. Cách hiểu đó đẩy toàn bộ cuộc điều tra về phía linh kiện bảo vệ: nó có đủ nhanh không, điện áp ghim có đủ thấp không, có đủ gần đầu nối không. Mọi câu hỏi đều hợp lý, nhưng tất cả đều hỏi về sai linh kiện.

Manh mối làm thay đổi mọi thứ

Có người thôi hỏi "hỏng như thế nào" và đi đo thẳng một máy trả về khi nó đang chạy. Dạng sóng thu được là lúc sản phẩm đang phát nhạc ở âm lượng lớn nhất, và không có ai chạm vào tấm cảm ứng.

Cần phân biệt cẩn thận điều đó chứng minh gì và không chứng minh gì. Nó không chứng minh rằng chỉ khi phát nhạc mới có bất thường, và cũng chưa ai tái hiện được sự cháy hỏng trên bàn thí nghiệm. Điều nó chứng minh là sản phẩm tự tạo ra một biến động nguồn vượt xa định mức của IC điều khiển mà hoàn toàn không có sự tham gia của người dùng.

Chừng đó đã đủ để chuyển hướng điều tra ra khỏi linh kiện bảo vệ. Phóng tĩnh điện cần một vật tích điện tiến đến cổng, ở đây không có gì tiến đến cổng cả. Nếu nhiễu đã có mặt trong khi không ai chạm vào sản phẩm thì năng lượng đến từ bên trong sản phẩm, và việc phát nhạc chỉ là manh mối cho biết nó đến từ đâu, không phải là định nghĩa của vấn đề.

Dạng sóng cho thấy gì

Bốn kênh: nguồn 3.3 V, hai đường bus và một đường ngắt. Đang phát ở âm lượng lớn nhất, không ai chạm vào đâu cả.

Hai điều trong dạng sóng này quyết định mọi thứ phía sau.

• Biên độ âm đạt -3.26 V. Đây không phải một cú vọt xuống nhỏ, mà gần bằng cả một mức nguồn nằm dưới đất.
• Nó xuất hiện trên nguồn 3.3 V và trên đường tín hiệu cùng một thời điểm, với cùng biên độ.

Điểm thứ hai mới là điểm quan trọng. Một cú phóng tĩnh điện trên đường tín hiệu sẽ xuất hiện trên chính đường tín hiệu đó. Nó không xuất hiện trên đường nguồn cùng lúc với cùng biên độ, và cũng không lặp lại theo nhịp của bản nhạc. Cái mà dạng sóng này cho thấy là toàn bộ nguồn cục bộ đang tụt xuống so với chính điểm đất dùng để đo.

Con số quan trọng là -0.3 V, không phải -3.3 V

Mọi cuộc thảo luận về sự cố này đều dùng "3.3 V ±5%". Đó là dải làm việc, và là con số sai khi bàn về hỏng hóc. Con số quyết định linh kiện có sống sót hay không là định mức tuyệt đối tối đa, và với IC điều khiển này là -0.3 V đến 3.63 V.

Hãy nhìn dải đó mất cân đối đến mức nào. Phía trên nguồn còn 330 mV dự phòng. Phía dưới đất chỉ có 300 mV, hết. Đây cũng không phải đặc điểm riêng của một mã hàng: trên gần như mọi datasheet CMOS, định mức tuyệt đối phía âm đều là -0.3 V hoặc -0.5 V, bất kể định mức phía dương cao đến đâu.

Vậy vùng làm việc an toàn vốn đã không đối xứng, và phía hẹp chính là phía không ai kiểm tra. Biến động đo được vượt qua nó khoảng mười lần.

Điều đó gây ra gì bên trong con chip

Mỗi chân của một con chip CMOS đều có hai diode không hề được vẽ trên sơ đồ của bạn. Một diode đi từ chân lên nguồn, diode kia đi từ đất lên chân. Khi làm việc bình thường, chân nằm giữa đất và nguồn nên cả hai đều phân cực ngược và không làm gì cả.

Bây giờ giữ đất ở 0 V và đưa nguồn cùng chân xuống -3.26 V. Có hai chỗ dẫn điện.

Thứ nhất là diode chân phía dưới. Anode nối đất, cathode nối chân, nên nó đang bị phân cực thuận hơn 3 V. Nó dẫn rất mạnh, chỉ bị giới hạn bởi điện trở tình cờ có mặt trong vòng mạch.

Thứ hai còn tệ hơn. Trong công nghệ CMOS nền đế loại p, đế nối đất còn giếng n nối nguồn, và tiếp giáp đó chính là một diode có anode ở phía đất. Khi nguồn tụt xuống dưới đất, tiếp giáp này bị phân cực thuận trên toàn bộ die. Con chip không phải đang hứng một xung ở một chân, mà đang bị cấp nguồn ngược.

Đó là lý do hư hỏng không chỉ giới hạn ở một chân, và cũng là lý do phân tích của chính khách hàng đã đi đến kết luận đúng trước khi ai đó nói về linh kiện bảo vệ: khi điện áp ngược vượt khoảng 0.3 V, các transistor và diode bên trong chip chuyển sang dẫn thuận. Lặp lại điều đó ở tốc độ của tín hiệu âm thanh trong vài tuần thì kết quả đúng bằng những gì được trả về.

Đề xuất đầu tiên

Đề xuất đến sớm nhất là gắn một linh kiện bảo vệ một chiều điện dung thấp lên đường tín hiệu. Lý lẽ rất đơn giản và nghe có vẻ đúng: linh kiện một chiều ở chiều âm chỉ là một diode thuận, nên bất cứ mức nào dưới khoảng -0.7 V sẽ làm nó dẫn, và đường tín hiệu bị giữ ở -0.7 V thay vì -3.26 V. Cải thiện khoảng năm lần, từ một linh kiện rất rẻ và gần như không thêm điện dung.

Vì sao ghim ở -0.7 V không cứu được chip định mức -0.3 V

Trước khi phản bác, cần trình bày cho đúng lập luận ủng hộ linh kiện một chiều, vì nó thực sự có cơ sở. Trước một xung ESD âm thật sự, trên đường tín hiệu vốn chỉ mang điện áp dương, linh kiện một chiều đúng là lựa chọn tốt hơn, và đúng vì lý do đã nêu: nó dẫn ở khoảng -0.7 V, trong khi linh kiện hai chiều 5 V phải chờ đến khoảng -6 V. Đây không phải quan điểm của một hãng, mà là hướng dẫn chung của ngành, và với một thiết kế thông thường thì đáng làm theo.

Vấn đề là lập luận đó có còn đứng vững khi mang sang sự cố này hay không. Không. Có ba lý do, và không lý do nào là lỗi của hướng dẫn chung. Chúng chỉ là những điều mà hướng dẫn chung chưa từng phải tính đến.

Thứ nhất là mục tiêu. Hãy lấy điện áp thuận từ datasheet chứ đừng lấy từ trí nhớ. Linh kiện một chiều điện dung siêu thấp thuộc nhóm này ghi rõ tối thiểu 0.6 V, điển hình 0.85 V, tối đa 1.0 V, và chỉ ở điều kiện 15 mA. Con số quen thuộc "0.7 V" là gần đúng trong sách giáo khoa, không phải một thông số. So với -6 V thì 0.85 V là kết quả rất tốt. Nhưng so với định mức tuyệt đối -0.3 V thì không, vì mức ghim rơi vào khoảng ba lần con số bạn cần, chip vẫn nằm ngoài định mức và tiếp giáp của chính nó vẫn dẫn. Nó còn xấu đi khi làm việc nặng hơn, vì điện áp thuận tăng theo dòng, và đó chính là lý do cùng datasheet đó có đường cong điện áp ghim thuận theo dòng. Tốt hơn không đồng nghĩa với an toàn.

Thứ hai là điều thường bị bỏ sót. Diode bên ngoài không nằm phía trước diode trong chip, mà nằm song song với nó.

Cả hai đều có anode ở đất và cathode ở đường tín hiệu. Đặt một diode cạnh một diode không lấy dòng khỏi con thứ nhất, mà chia dòng theo đặc tuyến thuận của cả hai. Để linh kiện bên ngoài gánh gần như toàn bộ, nó phải dẫn ở điện áp thấp hơn hẳn so với diode có sẵn trong chip, và một die nhỏ điện dung thấp chưa chắc là con dẫn trước. Đây là phép so sánh đáng làm trên bàn thí nghiệm trước khi tin vào nó, vì cho đến khi so xong thì "linh kiện bên ngoài bảo vệ linh kiện bên trong" mới chỉ là giả định chứ không phải kết luận.

Thứ ba là thời gian kéo dài, và đây là điều tách hẳn hai tình huống. Linh kiện đó được đặc trưng cho một cú phóng điện kết thúc trong một trăm nano giây, hoặc một xung sét kéo dài vài chục micro giây. Bị giữ ở -0.7 V trong một trăm nano giây, vài lần, thì nó đang làm việc hoàn hảo. Bị giữ ở đó theo nhịp bản nhạc suốt vòng đời sản phẩm thì nó đang làm một việc mà không dòng nào trên datasheet mô tả.

Linh kiện của chúng tôi cũng không giúp được

Đây là phần thường bị cắt khỏi những bài viết kiểu này, nên chúng tôi đặt nó lên gần đầu.

Trên một bus 3.3 V, linh kiện chúng tôi sẽ chọn là loại hai chiều với điện áp làm việc 5.5 V. Trong dòng sản phẩm của chúng tôi đó là PS0522G-F4, và trong hầu hết mọi tình huống khác thì đó là lựa chọn đúng. Với sự cố này thì nó không làm gì cả. Điện áp đánh thủng tối thiểu của nó là 6.2 V, nên sớm nhất cũng phải đến khi đường tín hiệu đạt -6.2 V nó mới hoạt động. Biến động thực tế là -3.26 V. Nó nằm bên trong cửa sổ, linh kiện không hề dẫn, và biến động đi thẳng qua nó với dòng rò 0.1 µA.

Vậy linh kiện một chiều ghim ở mức vẫn đủ để phá hỏng chip, còn linh kiện hai chiều thì không ghim gì cả. Cuộc tranh luận một chiều hay hai chiều mà ai cũng tham gia vốn đã là câu hỏi sai. Không câu trả lời nào xử lý được sự cố. Giới thiệu linh kiện của chúng tôi sẽ bán được một con hàng và để lại cho khách hàng đúng tỷ lệ trả về như cũ.

Còn một điều nữa trong sơ đồ đó đáng chú ý. Mảng ESD trên bo mạch này lấy chuẩn theo đường nguồn 3.3 V, và bình thường đó đúng là điều bạn muốn. Nhưng khi chính đường nguồn tụt xuống -3.26 V thì cái chuẩn mà mảng ESD ghim theo cũng tụt theo. Một mảng lấy chuẩn theo nguồn chỉ tốt đúng bằng đường nguồn đó.

ESD, EOS và xung sét là ba vấn đề khác nhau

Ba thứ này hay bị gộp thành một chủ đề vì cùng một linh kiện nằm ở cùng một vị trí cho cả ba. Chúng không phải một chủ đề.

• ESD là sự kiện cỡ nano giây. Sườn lên khoảng 1 ns, kết thúc trong khoảng 100 ns, năng lượng nhiều nhất vài milijoule, và chỉ xảy ra vài lần trong vòng đời sản phẩm. Phóng tiếp xúc ±8 kV theo IEC 61000-4-2 đến từ nguồn 150 pF, tức là 4.8 mJ năng lượng tích trữ.
• Xung sét là sự kiện cỡ micro giây. Dạng sóng 8/20µs, năng lượng tính bằng joule chứ không phải milijoule, và hiếm khi xảy ra.
• EOS không phải một sự kiện, mà là một trạng thái. Nó có thể kéo dài vài micro giây hoặc mãi mãi, năng lượng chỉ bị giới hạn bởi nguồn cấp, và nó lặp lại cho đến khi có người sửa bo mạch.

Hãy quy loại thứ ba thành con số. Giả sử diode trong chip chỉ dẫn 100 mA ở 3.26 V. Không ai đo dòng thực tế và 100 mA là ước lượng cố tình dè dặt. Vậy vẫn là 0.33 W, tức một giây là 0.33 J, khoảng bảy mươi lần năng lượng của một cú phóng tiếp xúc ±8 kV. Mỗi giây, suốt thời gian nhạc còn phát.

Datasheet của linh kiện bảo vệ mô tả hai loại đầu. Nó không mô tả loại thứ ba, và không tổ hợp con số nào trên đó cho bạn biết linh kiện có sống sót trong một trạng thái chưa từng được đặc trưng hay không.

Điện áp âm đến từ đâu

Một đường nguồn tụt xuống dưới chính đất của nó gần như luôn là một trong ba trường hợp sau.

1. Một tải cảm bị ngắt. Dòng trong cuộn cảm không thể dừng tức thì. Cuộn loa, động cơ, van điện từ hay rơ le đều đẩy nút đang kéo chúng xuống dưới đất khi mạch lái ngắt. Xuống sâu bao nhiêu phụ thuộc vào mạch lái ngắt nhanh đến đâu và có gì ở đó để hứng lại.
2. Đường hồi tiếp dùng chung. Dòng tải lớn chạy trên phần đồng đồng thời mang cả đất số sẽ tạo ra điện áp trên phần đồng đó. Mạch ở đầu xa thấy toàn bộ mốc chuẩn của mình dịch đi. Sơ đồ nguyên lý không hề gợi ý điều này, vì trên sơ đồ mọi điểm đất đều là cùng một nút.
3. Đường nguồn bị kéo xuống rồi dao động. Khi một bước dòng lớn kết thúc, một đường nguồn có tụ lọc mỏng và đường về nguồn dài sẽ vọt xuống, và nếu vòng mạch đủ cảm thì cú vọt đó xuống dưới không.

Đây vẫn là hình bạn đã xem lúc đầu, không có gì bị dịch chuyển. Thứ được thêm chỉ là một dấu trên một đoạn đồng, và đó chính là cách sự cố này ẩn mình. Trên sơ đồ nguyên lý mọi ký hiệu đất đều là cùng một nút, nên cơ chế thứ hai là vô hình: đúng nghĩa là không có gì để nhìn. Trên bố trí vật lý thì rõ ràng ngay. Khối cảm ứng ngồi ở đầu xa của một đoạn đồng đang có dòng âm thanh lớn chạy qua, và ngồi càng xa thì mốc chuẩn của nó càng có thể dịch nhiều.

Khả năng thứ tư, tức một sự kiện đi vào qua đầu nối, là điều ai cũng giả định trước tiên và cũng là điều mà dạng sóng này loại trừ. Nó lặp lại theo bản nhạc, và xảy ra khi không ai chạm vào sản phẩm.

Là trường hợp nào trong ba trường hợp đầu sẽ quyết định cách sửa, và một dạng sóng đo với một điểm chuẩn đất duy nhất không thể phân biệt chúng. Đó là việc phải làm tiếp theo, không phải thứ để đoán.

Sản phẩm nào hay gặp chuyện này

Lần này nó xảy ra trên một tấm cảm ứng, nhưng không có gì thuộc riêng về cảm ứng cả. Bất kỳ bo mạch nào đặt tải đóng cắt hoặc tải cảm cạnh logic điện áp thấp đều có thể gặp đúng như vậy. Những trường hợp chúng tôi gặp nhiều nhất:

• Âm thanh. Ngõ ra loa và mạch khuếch đại lớp D trong TV, loa thanh, loa thông minh, máy tính bảng và điện thoại. Cuộn loa là một cuộn cảm và dòng thì lớn.
• Điều khiển động cơ. Động cơ có chổi than và không chổi than, quạt và bơm trong đồ gia dụng, dụng cụ điện, robot hút bụi và thiết bị công nghiệp. Mỗi lần chuyển mạch là một lần đóng cắt tải cảm.
• Rơ le và van điện từ. Cuộn dây trong công tơ thông minh, kiểm soát ra vào, máy bán hàng tự động, điều hòa và tự động hóa nhà máy. Cú đá ngược kinh điển, và cũng là chuyện thiếu diode dập kinh điển.
• Bo đèn nền LED và bo mạch lái LED. Các tầng tăng áp và tăng giảm áp trong màn hình, bảng quảng cáo và cụm đồng hồ, nhất là khi có điều chỉnh độ sáng bằng PWM, tức là bật tắt toàn bộ tải hàng nghìn lần mỗi giây.
• Cắm nóng và kết nối cáp. USB, Type-C, đầu nối dock và khối pin, khi việc kết nối diễn ra lúc đang có điện và đường nguồn còn dao động trước khi ổn định.
• Bo mạch 12 V và 24 V cho ô tô và công nghiệp. Bó dây dài, đất dùng chung giữa các khối, và tải cảm trên cùng một nguồn.

Thứ nối tất cả lại không phải là ứng dụng, mà là câu hỏi về bố trí nằm bên dưới: có một dòng đóng cắt lớn nào đang dùng chung phần đồng với điểm đất mà logic của bạn lấy làm chuẩn hay không? Nếu có thì đường nguồn có thể dịch, và thứ quyết định bo mạch sống sót hay không không phải là linh kiện bảo vệ trên đường dữ liệu.

Cần đo gì tiếp theo

Bốn phép đo, theo đúng thứ tự này. Không phép nào cần thiết bị mới.

1. Đổi điểm đất của máy hiện sóng. Đo lại đúng dạng sóng đó nhưng kẹp đất vào chính đất của khối cảm ứng thay vì đất của host. Nếu -3.26 V biến mất thì đường nguồn không hề đi đâu cả: hai điểm đất đã tách khỏi nhau, và đây là vấn đề đường hồi tiếp.
2. Đo trực tiếp giữa hai điểm đất. Một kênh vào đất của khối cảm ứng, lấy đất của host làm chuẩn. Thứ xuất hiện ở đó chính là phần vấn đề mà không linh kiện nào trên đường tín hiệu chạm tới được.
3. Thêm một kênh đo dòng loa. Nếu biến động âm trùng với thời điểm dòng lái thay đổi nhanh nhất chứ không phải lúc âm lượng đỉnh, thì cơ chế là cảm ứng và nó xảy ra lúc ngắt.
4. Xem luôn đường nguồn của chính mạch khuếch đại tại cùng thời điểm. Nếu ở đó có ảnh gương, nhiễu đang đi vào qua đường nguồn và khối cảm ứng chỉ là nạn nhân liên đới.

Đó là khoảng một buổi làm việc, và nó quyết định biện pháp nào bên dưới mới là biện pháp thật. Bỏ qua nó là cách để một sản phẩm trải qua ba lần đổi bản với ba linh kiện bảo vệ khác nhau mà tỷ lệ trả về vẫn y nguyên.

Cách thực sự khắc phục

Xếp theo mức độ hiệu quả giảm dần.

1. Không để hai điểm đất dịch chuyển so với nhau. Cho loa một đường hồi tiếp riêng về nguồn để dòng âm thanh không dùng chung phần đồng với đất số. Nếu khối cảm ứng nằm trên dải mạch mềm, hãy tăng số dây đất và rút ngắn vòng mạch. Đây là việc bố trí, và ở bản kế tiếp thì không tốn tiền.
2. Đặt tụ lọc ngay cạnh mạch khuếch đại, không phải ở phía đầu nối. Một đường nguồn không bị sụt thì không có gì để dội ngược lại.
3. Thêm điện trở nối tiếp trên các đường tín hiệu. Cách này không sửa được đường nguồn và không thay thế được hai việc trên, nhưng nó giới hạn dòng mà diode trong chip phải gánh khi đường nguồn thực sự dịch. Trên một bus dùng điện trở kéo lên cỡ kilo ôm, thêm khoảng một trăm ôm là cái giá rất nhỏ. Trước khi chốt giá trị, hãy kiểm tra dự phòng mức thấp ngõ ra và định thời của bus.
4. Nếu sau tất cả đường nguồn vẫn có thể bị kéo xuống dưới đất, hãy hứng nó bằng một linh kiện làm ra cho dòng liên tục. Một diode Schottky từ đất lên nguồn, cathode ở phía nguồn, sẽ bắt đầu dẫn khi xuống dưới không vài trăm milivôn. Ngay cả vậy nó cũng dừng ở khoảng 0.3 đến 0.5 V, nên hãy coi đó là lớp chặn cuối biến một biến động chí mạng thành một biến động còn sống được, chứ không phải lý do để bỏ qua hai việc đầu.

Hãy để ý thứ không có trong danh sách đó: một mảng ESD khác. Không linh kiện bảo vệ nào, của chúng tôi hay của bất kỳ ai, biến một đường nguồn -3.26 V thành -0.3 V, vì linh kiện bảo vệ không sinh ra để làm việc đó.

Linh kiện ESD bảo vệ chống ESD

Đó không phải câu nói thừa, đó chính là mấu chốt. Một linh kiện bảo vệ được đặc trưng cho một dạng sóng cụ thể, một thời gian cụ thể và một số lần lặp cụ thể. Ngoài phạm vi đó, hành vi của nó hoàn toàn không được định nghĩa. Nó không phải một tấm lưới an toàn cho mọi điều khó chịu xảy ra với một cái chân.

Vì vậy khi một bo mạch cứ chết dần, câu hỏi cần đặt ra không bao giờ là "nên gắn linh kiện bảo vệ nào". Đó là ba câu hỏi khác: đây là sự kiện gì, nó kéo dài bao lâu, và năng lượng đến từ đâu. Trả lời được ba câu đó thì linh kiện đúng, hoặc cách bố trí đúng, thường trở nên hiển nhiên. Bỏ qua chúng thì bạn có thể mất cả năm để thay một linh kiện vốn chưa bao giờ nằm trên đường đi của dòng.

Trên bo mạch này, câu trả lời cho câu hỏi thứ ba là: từ bên trong sản phẩm, từ chính chiếc loa của nó. Không linh kiện nào trên các đường cảm ứng có thể sửa được điều đó, và nói thẳng điều đó có giá trị với khách hàng hơn là bán cho họ một con hàng.