手把手教你理解《天猫精灵：互联网公司的硬核硬件之道 - 样章1.1 ESD防护设计详解（第三部分）">

1.1.4 案例详解

案例1　方糖智能音箱按键处空气放电15kV测试

【问题描述】

2018 年，方糖智能音箱在 EVT 阶段进行 ESD 测试时，按键处空气放电 15kV概率性存在 CPU 元器件损坏的现象，重新对其上电后无法恢复，判断为永久损伤。

方糖智能 音箱外观如图 1-2 所示。

【问题分析】

ESD 问题造成的机器硬件永久损伤是相对比较容易排查的，这要比机器死机或异常而不损坏的情况更容易整改。

我们需要定位 CPU 的哪个引脚被损坏。在做完静电测试后，我们选用万用表二极管挡对主板进行测量，尽量不要用阻抗挡来测量，因为半导体被静电损坏后，使用阻抗挡没有使用二极管挡测量得准确。当使用二极管挡测量的芯片引脚的压降异常时，可以判断该引脚已被损坏。在此案例中，我们发现按键缝隙周围的很多信号引脚都被损坏了，有 SDIO（Secure Digital Input and Output，安全数字输入输出）信号引脚及 I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线）信号引脚等。

当知道 CPU 是芯片引脚损坏而引起的永久损伤，我们就可以针对该引脚做保护措施。最常用的措施就是在该引脚上挂 TVS（Transient Voltage Suppressor，瞬态二极管）。经验证，芯片引脚并联 TVS 后有 90% 的概率通过测试，但能够通过 15kV 空气放电测试的TVS 价格较高，而我们的目标是科技普惠，用极致成本为用户带来好的品质和体验，因此，在损坏的引脚上并联 TVS 显然不是最好的解决方案。

在成本压力下，我们想到了一个巧妙的解决方案。ESD 之所以会干扰信号线，是因为按键缝隙处附近的信号线阻抗很低，因此我们可以在信号线周围增加低阻抗通路，将静电引到主板的地上。具体操作是在信号过孔旁边两端增加对地的 0Ω 电阻或者规格为 0603 的电容，提高地的触点，形成低阻抗通路，同时在主板边缘采用露铜的形式为信号线提供低阻抗通路。触点电容位如图 1-3 所示。

图 1-3　触点电容位

上面的解决方案在方糖智能音箱上得到了成功验证，而该方案是最优的解决措施吗？并不是，当时出于对项目的成本及交付时间的考虑，我们选择了成功率较高、成本较低的一个方案，既保证了改版一次就能成功，又保证了项目进度。而我们对天猫精灵的硬件研发并没有停滞于此。

理想的方案应该是不用任何 TVS、电阻、电容等元器件，就能解决 ESD 问题，这可能吗？在 IN 糖项目中，我们做到了！我们将按键缝隙处的信号过孔移到按键下方或者远离按键，虽然无法将所有的信号过孔都移开，但可以为剩余的信号过孔提供一个低阻抗的“水渠”，如图 1-4 所示，缝隙处采用开窗方式来提供低阻抗通路，同时将每一个角度的放电路线都设计好，只要静电进入按键缝隙，就直接被引到地上，故而不会损坏器件。后期方糖 R 项目的2 层 PCB 上也应用了此方案，经验证，改版一次成功 !

图1-4 PCB “水渠” 建立处

【收获】

天猫精灵无屏项目主板上无须挂 TVS 等元器件就可以通过 15kV 空气放电测试，成本上极具优势，而竞品的 TVS 等元器件甚至超过了 10 个。

做项目要选择当下最合适的解决方案，但技术上要寻找创新的可能，不断地优化解决方案，让产品更有竞争力，只有这样，才能在行业立于不败之地。

我们在 PCB 上的 ESD 创新优化方式已取得专利，专利号为 CN211982214U。