第 1 章 硬件系统设计的三座大山

引言中提到了天猫精灵系列产品研发的复杂程度与手机相当，所以硬件产品设计开发过程中常遇到的系统性难题，如 ESD（Electrostatic Discharge，静电放电）、EMI（Electromagnetic Interference，电磁干扰）、散热，业内会遇到的这三座大山，在天猫精灵系列产品的研发过程中一个都不会缺席，必然会遇到。

而在天猫精灵系列产品研发中，面对同样的 3 个业内难题，我们却遇到了更多的困难。团队成立之初，供应链体系还不完善，支持有限，同时产品承载了集团技术普惠的业务目标，即让更多人能够体验到人工智能带来的服务和生活方式的改变。因此要求我们用更低的成本，实现与业内相同甚至更高的品质水准。在手机产品中，解决 ESD 问题的常见方法就是“堵”或“导”，一般会在结构缝隙处增加绝缘材料，或者在接口处增加 ESD 防护元器件等，这样基本可以解决 80% 的问题，但这都需要增加材料成本。而在天猫精灵项目落地的过程中，业内没有可参考的解决方案，只能摸着石头过河，不停地做试验，不停地创新。功夫不负有心人，我们找到了优秀的解决方案，既不需要增加任何 ESD 防护元器件，也不使用任何绝缘材料，而 ESD 指标却高于业内通用标准。

在不同形态天猫精灵系列产品的研发及项目落地中，我们有很多奇遇和有趣的故事，也积累了很多的经验。这些故事和经验的总结和沉淀，形成了天猫精灵系列产品中应对这三座大山的武功秘籍，我们在此将其分享出来，希望能够对读者有所启发，当遇到类似问题时，能够见招拆招。

1.1 ESD防护设计

你遇到过在夜晚脱毛衣时出现“闪光”并伴有噼里啪啦声音的现象吗？你在干燥的北方触摸门把手的瞬间是否有被电了一下的感觉？是的，这就是 ESD 现象。

静电在我们的日常生活中可以说是无处不在，我们身体表面和周围分布着静电荷，能产生高达几千伏甚至上万伏的静电电压。人走过化纤地毯大约可产生 35000V 的静电电压，翻动塑料纸大约产生 7000V 的静电电压，平时我们可能没有特别关注这些静电电压，但它们对一些敏感电子元器件或设备来说则是致命的危害。

1.1.1 技术解释

ESD 是指具有不同静电电位的物体由于直接接触或静电感应所引起的物体之间静电荷的转移，通常指在静电电场的能量达到一定程度之后，击穿两者间的介质而进行放电的现象。

静电是一种客观存在的自然现象，产生的方式有多种，如接触、摩擦、电器间的感应等。静电具有长时间积聚、高电压、低电量、小电流和作用时间短等特点。人体自身的动作或人与其他物体接触时，可以产生几千伏甚至上万伏的静电电压。

静电会对多个领域造成严重危害。摩擦起电和人体静电是电子工业中的两大危害，通常会造成电子产品运行不稳定，甚至损坏。因此电子产品的设计中就需要 ESD 防护设计。

1.1.2 技术难点

ESD 对电子产品造成的破坏和损伤有突发性损伤和潜在性损伤两种。

突发性损伤指的是元器件被严重损坏，功能丧失。虽然这种损伤通常在生产过程的质量检测中能够被发现，但给工厂带来的不只是返工维修成本的增加，还有可量产性问题。

潜在性损伤指的是元器件部分被损坏，功能尚未丧失，且在生产过程的质量检测中无法被发现，但在使用时会使产品变得不稳定、时好时坏，因此，潜在性损伤会对产品质量构成更大的危害。这两种损伤中，潜在性损伤占据了 90%，突发性损伤只占 10%，也就是说90% 的静电损伤是无法被检测到的，只有使用时才会被发现。电子产品使用中出现的经常死机、自动关机、视频通话质量差、杂音大、信号时好时差、按键出错等问题，绝大多数与静电损伤相关，也因为这一点，静电放电被认为是影响电子产品质量的最大潜在“杀手”，静电防护也成为电子产品质量控制的一项重要内容。而不同品牌音箱稳定性的差异也基本上反映了它们的静电防护能力及 ESD 防护设计水平的差异。

ESD 防护设计是所有消费类电子产品研发中都会遇到的难题 ，特别是设计结构复杂或在新平台应用的产品，很难保证一版就成功。天猫精灵智能音箱产品有多种架构形态，如外壳非金属、外壳全金属和外壳部分金属等，每种架构形态的 ESD 防护设计都需要应用不同的策略，再加上不同主控平台方案抗 ESD 干扰的性能不同、产品功能不同、架构组合不同，所以 ESD 防护设计需要考虑的情况非常多。在如此复杂的情况 下，我们如何能够快速、准确地进行 ESD 防护设计，甚至让硬件电路只设计一版就能达到量产状态？天猫精灵研发团队在各代产品中积累了大量的设计经验，1.1.4 节将介绍部分典型实战案例，希望能够让你的硬件只设计一版就能成功的愿望变成现实。

1.1.3 专业知识简介

1．ESD常见等效模型

（1） HBM（Human Body Model，人体模型）

ESD 行业中采用的最基本的模型是 HBM，这种模型用来模拟人体静电放电对敏感电子元器件的作用。

（2） MM（Machine Model，机器模型）

MM 用来模拟带电导体对电子元器件发生的静电放电事件，如模拟自动装配线上的元器件受到带电金属结构件的静电放电，也可以模拟带电的工具和测试夹具等对元器件的作用。

（3） CDM（Charged Device Model，带电元器件模型）

随着元器件生产和装配的现代化，对元器件的大部分操作都是由自动生产线完成，人体接触元器件的机会相对减少。元器件在加工、处理、运输等过程中可能因与工作面及包装材料等接触、摩擦而带电，当带电的元器件接近或接触导体时，便会产生静电放电现象。在生产线上，带电元器件静电放电会对敏感电子元器件造成很大的危害，因此通常用 CDM 来模拟带电元器件的静电放电现象。CDM 模拟的放电过程是元器件本身带电而引起的，所以带电元器件模型失效是造成元器件损坏、失效的主要原因之一。

（4） BMM（Body Metal Model，人体 - 金属模型）

人体 - 金属模型又称为场增强模型，用来模拟人通过手持小金属物件，如螺丝刀、钥匙等，对其他物体产生放电时的情景。当人手持小金属物件时，金属物件的尖端效应，使其周围的场强大大增强，再加上金属物件的电极效应，导致放电时的等效电阻大大减小。因此在同等条件下，BMM 产生的放电电流峰值比 HBM 大，放电持续时间比 HBM 短。

在 1984 年发布的静电放电测试标准 IEC801-2 中规定了人体 - 金属模型的基本电路为单 RC 结构，模型参数R、C 分别取 150Ω 和 150pF。

2．ESD IEC标准介绍

IEC（International Electrotechnical Commission，国际电工委员会）是世界上成立最早的国际性电工标准化机构，负责有关电气工程和电子工程领域中的国际标准化工作。ESD国际标准 IEC61000-4-2 是由 IEC 第 77 技术委员会（电磁兼容）的 77B 分技术委员会（高频现象）制定的。

在系统测试中，一般采用 ESD 枪作为脉冲源，通过 ESD 枪，在枪与被测系统之间产生电弧放电。

（1） IEC61000-4-2 标准

IEC61000-4-2 标准对人体 - 金属模型的相关规定与 IEC801-2 标准不同，前者采用1GHz 示波器来测量波形，与后者测得的波形有所区别，且小金属元器件对空间有 3 ～ 10pF的无感电容，因此，人体 - 金属模型形成了 RLC 人体静电放电模型，其电路如图 1-1 所示。

图 1-1　人体 - 金属模型电路

其中，CB、RB、LB 分别为人体电容、人体电阻和人体电感，CHA、RHA、LHA 分别为手前臂及手持的金属物件的电容、电阻和电感。

模 型 参 数：CB =150pF，RB =330Ω，L B=0.04 ～ 0.2µH，CHA=3 ～ 10pF，RHA=20 ～200Ω，L HA=0.05 ～ 0.2µH。

（2） ESD 试验等级

ESD 试验等级如表 1-1 所示。

（3） ESD 测试结果

ESD 测试结果分类如下。

Class A 级：在技术要求的限值内，产品性能正常。

Class B 级：产品功能或性能暂时丧失或降低，但能自动恢复。

Class C 级：产品功能或性能暂时丧失或降低，但通过操作人员干预或系统复位后可恢复正常。

Class D 级：因设备损坏或数据丢失造成产品功能不能自行恢复。

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。

案例2　IN糖智能音箱金属前网接触放电8kV测试

【问题描述】

为给用户带来更好的体验，2019 年，IN 糖智能音箱在方糖音箱的基础上增加了一块LED 点阵显示屏。如图 1-5 所示，IN 糖智能音箱前壳采用了金属铁网以增加质感，整机属于部分金属结构，而外观有金属的产品需要进行接触放电测试。第一版 IN 糖智能音箱在 EVT 阶段进行 ESD 测试时，金属铁网接触放电4kV，音箱存在灭屏、死机和重启现象，这离我们预期的能通过 8kV 接触放电测试的目标还比较远。

图 1-5 IN 糖智能音箱

【问题分析】

对于金属铁网接触放电测试，我们在 EVT 阶段就对其做了接地的考量。铁网距离主板很近，且它的前面还有一块 LED 点阵显示屏，我们的第一反应是采用“导”的原则，通过铁网与主板的地之间保证良好的接触，将静电导到地上。其通路为：从铁网到灯板的散热片，再到灯板的地，最后与主板的地相连接，如图 1-6 所示。

图 1-6　铁网接地通路

而 EVT 阶段进行手板测试时，接触放电 4kV，机器也会出现灭屏、死机或重启现象，但元器件不会被损坏。一般来说，可恢复的异常更难解决，若元器件被损坏，就可以对其进行快速定位与验证。针对此种现象，天猫精灵硬件团队总结了一套非常有效的整改思路。

从现象上来看，灭屏是一个现象，死机或重启又是一个现象，绝大多数该类问题是 ESD 在进入主板地平面后对敏感信号进行了耦合扰动造成的，而我们要做的就是将容易被扰动的信号线找出来，然后有针对性地对其进行抗扰动优化。不同芯片的优化方案也有所不同，敏感信号大多存在于高速信号线，通过实验，我们发现当 USB 的两根信号线被静电扰动时，机器就会死机或者重启。对此，我们在信号线上分别串联一个 10Ω 电阻来增强抗扰动能力，上电后可以通过 4kV 接触放电测试。但进行接触放电 8kV 测试时，机器依然会死机或重启，因为接触放电要比空气放电的能量强度高得多，而 8kV 如此高的能量对于该机器来说，已经不再适合直接导入地面上了。我们的思路是找到能够提前泄放能量的方法，对此我们提出了一个方案：将接触放电的能量提前泄放一部分后再导入地面。

成本最低的泄放能量方法就是使用电阻来对其进行能量衰减。经过大量实验，我们在铁网与灯板的地之间串入多个 100Ω0805 贴片电阻来进行能量的泄放，如图 1-7 所示。电阻的阻值要通过实验不断测试才能得出，若阻值过小，则能量泄放不够，对板子冲击仍然很大，若阻值过大，则阻抗过大，静电就不会以设计的线路泄放，而会直接导通到前面的 LED 灯板上，造成其他异常。

这种方法可以解决接触放电 8kV 测试时造成的机器死机、重启问题。

图 1-7　泄放电阻

这就结束了吗？并没有。测试时发现接触放电8kV，机器虽然没有死机重启，但存在概率性 LED 点阵显示屏卡住的现象。很明显，这是因为导入地面上的能量还是对 LED 驱动芯片造成了影响，分析发现，LED 驱动芯片的多个引脚都是敏感引脚，要并联 5 个 TVS 才能解决问题，而这对于成本控制来说又是一个难题，想要把成本控制到最低，是否有更好的方法呢？有。ESD 问题的解决方法还有软件优化！若机器没有死机，只是显示屏停止工作，那么可以让软件每隔 1s 通过 I2C 去检测 LED 驱动芯片，看它是否还在正常工作，当寄存器错误时，说明 LED 驱动 IC（Integrated Circuit，集成电路）已经异常，那么主控可以对 LED 驱动芯片进行软件复位操作，重新刷新显示，这样就完美地解决了该问题，且不用增加硬件成本。所以不要忘了有些 ESD 问题可以采用软件方式去解决，而硬件工程师要做的就是将现象、需求和措施与软件工程师进行沟通，这样就会得到一个更好的结果。在这里感谢与天猫精灵硬件团队配合的软件团队，团队协作的价值大于个人！

【收获】

带有金属铁网的 IN 糖智能音箱的 ESD 问题，通过创新的串阻能量衰减设计，以及软件的自动检测恢复措施，实现了通过空气放电 15kV、接触放电 8kV 的高规格等级测试这一目标。主板没有挂任何静电防护元器件，就达到了最低成本、最高性能，该方法在带金属外壳的产品中也得到了应用。对比行业竞品，竞品主板上仍然使用大量的静电防护管，且结构上使用大面积屏蔽材料，但通过测试的等级目前只能达到空气放电 10kV、接触放电 8kV 的等级测试。

1.1.5 技术沉淀

1．设计规则

（1） ESD 防护设计基本原则

① 减弱 ESD 对保护目标冲击的强度。措施：分割 GND（电线接地端）、串电阻或磁珠、加 ESD 元器件、对地并电容、减少目标元器件的引脚和引线，以及增加 ESD 端子与保护目标的距离等。

② 增强保护目标抗 ESD 的能力。方法：增加被保护目标的参考地完整性，减小供电电源的高频电流环路的面积，降低输入端子对参考地的高频输入阻抗，选择芯片内部集成 TVS的方案，选择高阻抗芯片。

③ 软件优化。对于产品功能暂时异常，但主控还工作的情况，采用“看门狗”软件对其进行复位操作，或增加状态检测机制，检测寄存器或 I/O 接口状态是否正常，若异常则进行复位操作。

（2）原理图上的 ESD 防护设计

① 尽量保证主 IC 的每个电源引脚附近都有瓷片去耦电容，大小一般为 0.1µF，如果两个电源引脚电压相同，性质相近，则可以考虑共用一个电容，这样可以节省空间。

② 尽量保证主 IC 的每个信号引脚都有串接的限流电阻和电容，具体的值视信号要求而定。

③ 视频端子输入的信号线上尽量给钳位二极管或压敏电阻预留位置，在信号线上串接电阻。

④ I/O 引脚、信号引脚串接的防静电限流电阻要放在 IC 附近。

⑤ 尽量保证主 IC 的每个 ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）引脚附近有预留接地的电容和电阻位置。

⑥ I2C 上可以串接 100Ω 电阻。

⑦ UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收发送设备）的 RX（接收器）、TX（发送器）上可以串接 100Ω 电阻来提升抗 ESD 性能。

⑧在 USB 接口（特别是外接 Wi-Fi、蓝牙设备口）处预留 ESD 元器件位置，ESD 的分布电容小于 2pF，在差分信号线上预留电阻位置，如图 1-8 所示。

图 1-8 USB 接口的 ESD 防护设计

⑨ 合理地分割 GND 平面。分割 GND 平面有可能会导致 EMI 问题，所以割地要合理，一般要在割开的缝隙之间留一个元器件位，便于重新焊接。

（3） PCB 上的 ESD 防护设计

① PCB 的 GND 回流路径要完整，特别是 SOC（System on Chip，单片系统）底部的地线回路。

② 布局时，要预留好散热片接地位置和导电泡棉接地位置。

③ 高速差分信号线背面的地平面应尽可能完整。

④ ESD 元器件位置就近端子，负端必须可靠接地，不能连接过孔到地，而是要直接连接贴片层的地。

⑤ 按键等缝隙处可以采用露铜及贴片高电阻、电容的方式来提供低阻抗路径。

⑥ MIC（传声器）如果采用背贴方式，其孔处要采用露铜处理，且露铜要尽量靠近孔中心。

（4）结构上的 ESD 防护设计

① 前后壳。整圈止口的壳体配合面为梯台折面，能有效延长放电路径。主板和 FPC（Flexible Printed Circuit，柔性电路板）尽量远离止口缺口、卡扣及扬声器孔洞。前后壳设计原则：前、后壳体的止口尽量配合，这样放电路径更长且远离结构缝隙，如图 1-9 所示。

② 外露金属件。其内部要预留接地位置，使其通过弹片、导电泡棉、导电胶接地，或者将金属表面做不导电处理，如图 1-10 所示。

③ 塑料电镀件。优先采用 NCVM（Non Conductive Vacuum Metallization，真空不导电电镀）工艺，采用水镀工艺时只镀外观面，热熔孔时需要避开敏感元器件。

图 1-9　前后壳设计

图 1-10　外露金属件

④ 屏幕。TP（Touch Panel，触控面板）背胶接缝路径的长度至少为 4mm，屏幕铁框、FPC 应接地良好。

⑤ 按键。按键裙边应完整，按键缝隙处主板增加露铜。Dome 按键处 Mylar（麦拉片）的面积尽量大，延长放电路径，如图 1-11 所示。

图 1-11　按键

⑥ 摄像头。摄像头背面露铜或者通过摄像头 FPC 露铜接地，如图 1-12 所示。

⑦ 内置金属件接地。优选螺丝与 PCB 锁合紧固多点接地，通常也可以通过弹片、导电泡棉接地，如图 1-13 所示。

图 1-12　摄像头

图 1-13　内置金属件接地

⑧ FPC 连接的地方要保证有接地区域。接地焊盘的最小尺寸为 2mm×3mm。FPC 主要包括按键 FPC、摄像头 FPC 及 MIC 板与主板连接的 FPC。

⑨ PCB 上的接地处理如下。

 凡是在 PCB 上的螺丝孔，周围要留有元器件的避空位置，防止静电通过螺丝导到元器件上。

 螺丝孔处可以通过弹片或者与地直接接触来使螺丝接地，若采用的导通形式不同，则主板上的露铜区域也不同。

 按键区域的接地。在主板的按键区域处应尽量大地露铜，以保证不同形式按键的接地。

⑩ 结构、ID 工程师针对所有用到金属导电部件的部位，在设计之初就应先和项目相关的硬件工程师一起进行协商。在不影响产品外观的情况下，某些 ESD 敏感处可考虑使用绝缘材料。

2．ESD整改方法

（1） ESD 问题的分析思路

① ESD 测试。当机器某些功能无法正常运行或宕机时，可以先定位损坏的模块，采用万用表二极管挡测量并对比各个引脚，若值有异常，则可以判定该引脚被损坏。可以选择ESD 防护器件对该线路进行保护或采用低阻抗路径对该线路进行防护。

② 若 ESD 测试没有造成机器永久性损伤，而是使其出现功能暂时性异常或自动重启的情况，则需要考虑寻找敏感元器件及敏感引脚，并针对该引脚进行敏感性保护。可以采取并联 pF 级电容、串联电阻或 ESD 防护元器件等措施。

③ 当无法判断设备损伤的原因是 ESD 还是 EOS（Electrical Overstress，用来表示当电气设备上的电压或电流超过它的限定值时所受到的热损害）时，可以找厂家进行刨片分析，根据刨片分析报告照片可以进行初步判断，如果损伤区域为一个小点，如图 1-14（a）所示，可以判断为 ESD 造成的损伤，而如果损伤区域为大面积，如图 1-14（b）所示，那么可能是 EOS 造成的损伤或 ESD 损伤后二次上电造成的大面积损伤。

图 1-14　刨片分析

（2） ESD 防护元器件的选型

ESD 防护元器件用于对主板系统的静电放电防护，它提供了 ESD 电流泄放路径，以免 ESD 放电时，静电电流流入 IC 造成内部损伤。当 ESD 电压出现在 GPIO（General Purpose Input and Output，通用输入输出）上时，位于 GPIO 旁边的 ESD 防护元器件必须能够尽快导通来排放 ESD 的放电电流。因此 ESD 防护元器件必须要具有如下 6 个特征。

① 较低的瞬态击穿导通电压。

② 极短的过电压响应时间（小于 0.5ns）。

③ 低钳位电压。钳位是指将某点的电压限制在规定电压范围内的措施。

④ 瞬态脉冲消失后，功能材料瞬间恢复高阻态。

⑤ 功能材料具有非线性（在达到导通电压时可以瞬间被开启）特性。

⑥ 极小的漏电流（小于 0.1nA）特性。

常见的 ESD 元器件选型参数要考虑以下 4 个方面。

① 最大工作电压。最大工作电压指在最高温度下使用该元器件时的最大持续直流工作电压，该电压必须低于触发电压及限制电压。

② 触发电压。触发电压即在指定 ESD 波形接触放电条件下，元器件由高阻截止状态瞬间转为低阻导通状态的峰值电压。触发电压要尽量接近我们的使用电压。

③ 限制电压。限制电压是指元器件承受 30ns 指定 ESD 波后的残压，即钳位电压，该电压越低性能越好。

④ RBV（Reverse Breakdown Voltage，反向击穿电压）。RBV 是指将 ESD 元器件瞬态击穿的导通电压，它要大于可能出现的最大反向电压。

（3）软件上的 ESD 整改

在允许产品可自行恢复或由操作员恢复的暂时性功能失效的情况下，可以优先选择使用软件来解决 ESD 测试时出现的问题。其优势有：节省成本，提高产品的竞争力。软件具有一定的通用性和可移植性。

软件的一般防护措施如下。

① 把不使用的 I/O 接口做拉低处理，以降低其对电源芯片的影响。

② 增加对保护目标状态位的检测次数，当检测到异常的模块时对其做复位处理。

③ 使用“看门狗”软件重启系统。

④ 软件重复初始化。

⑤ 重启后一般能恢复重启前的状态。

（4）工厂生产上的 ESD 风险检查

在 SMT 的生产流程中需要重点关注的是人员的防静电问题。

① 多功能贴片机、相关人员的工位等处都要重点关注。需确认 ESD 手环、仪器等设备接地是否到位，以及操作是否符合 SOP 的相关要求。

SMT 生产中，PCBA 的周转过程也是 ESD 问题的高发时段，要重点关注工作人员是否做好 ESD 防护，如用防静电的泡棉和周转箱等转运 PCBA。

② 主板顶针测试一般可以从以下 4 个方面检查。

 加长地针长度，当 PCB 被压下触碰顶针时，先碰地针使

其安全放电，如图 1-15 所示。

图 1-15　加长地针长度

 检查测试治具是否接好地线，若接触不良则会导致产品间歇性不良。先关闭电源，压下 PCB 后再将电源打开。测试完成后须先关闭电源，再将顶针移开 PCB，否则易产生过冲电压，造成 EOS 等问题。

 定期检查治具的顶针，以防其歪倒而易触碰其他不正确的探针点。

 检查电源是否在 PCB 压下瞬间有过冲波形。

③ 工厂常见的 ESD 风险项及控制方法。

工厂常见的 ESD 风险项是撕贴胶带。撕贴胶带会产生很多的静电荷，由于胶带是绝缘材料，所以其产生的静电荷可以被保留较长时间。不是生产工艺必要的胶带不要放在工作台上，严禁使用胶带来固定物体或进行电气维修。

胶带的使用量必须控制到最少，如果必须使用胶带，则应使用 ESD 安全胶带。

在撕贴非 ESD 安全胶带时，应在离子风机下进行或在距离产品 12 英寸（1 英寸 = 2.54厘米）以外进行，离子风机如图 1-16 所示。

图 1-16　离子风机

接地是针对导体材料进行 ESD 控制的最简单、最有效的方法。

人员接地的要求如下。

 防静电腕带。

 太空服、太空鞋、防静电手套。

 防静电服装、防静电鞋。

防静电腕带和防静电服如图 1-17 所示。

图 1-17　防静电腕带和防静电服

设备接地要求如下。

 对生产流水线必须进行硬接地，流水线的输送皮带必须是金属或 ESD 材料。

 工作台应使用金属台面或 ESD 桌垫台面，并对工作台面进行硬接地。

 贮存 ESD 敏感产品或零部件的架子和手推车必须满足 ESD 软接地要求。

 设备、工具通过轴承或气缸连接的接触 ESD 敏感产品的部分应考虑另接接地线来接地。

 设备、工具接触 ESD 敏感产品的部分不得使用绝缘材料，应使用金属或 ESD 材料。

3．ESD防护设计方法论

ESD 防护设计是一个系统性的问题，了解其方法论可以帮助我们更高效地解决 ESD 防护设计中的问题。

① 降低 ESD 对被保护目标的冲击强度。方法：分割 GND 平面、串电阻磁珠、加 ESD器件、对地并联电容、减少目标器件的引脚引线，以及使放电路径避开敏感区域等。

② 增加被保护目标的抗 ESD 能力。方法：增加目标的参考地的完整性、减小供电电源的高频电流环路面积、降低输入端子对参考地的高频输入阻抗、IC 设计时在内部集成 TVS、外加接地屏蔽罩，以及建立低阻抗通路等。

③ 软件方式。把不使用的 I/O 接口接地或拉低、使用“看门狗”软件、增加状态检测机制，以及增加重启续播功能等。

④ 堵。“堵”就是将静电隔离到整机之外。可以通过设计结构通路来增加静电释放位置与元器件之间的距离，例如在结构上使用迷宫设计。

⑤ 疏。“疏”就是接地处理，就是将外部的静电引入产品内部，通过导电材料将静电直接导入主板的地线上，避开易损元器件。

⑥ 绝。“绝”是在“堵”和“疏”都无法实施或实施效果不明显的情况下才使用的，就是直接将绝缘膜贴到需要进行 ESD 防护的元器件表面，这样元器件就不会承受静电，从而避免损伤元器件。但要注意静电流入的下一个易受点是否有问题。

1.1.6 小结

天猫精灵硬件研发团队在大量的实战下取得了不错的成果，同时也总结了 ESD 防护设计的经验及方法。天猫精灵硬件团队不断迭代，不断创新，从用户的角度思考，真正做到了心中有用户，并借助技术，秉承着工匠精神实现了产品的最低成本和最高品质。

突破行业标准。在不增加成本的情况下，将接触放电设计的水准从行业的 6kV Class B提升到 8kV Class A，空气放电设计水准从 10kV Class B 提升到 15kV Class A。

极致成本，0 个防护元器件。在空气放电设计上通过一系列的创新，全线产品通过了空气放电 15kV 的测试，超过音箱行业的 10kV 标准，同时在无屏音箱主板上实现了无 TVS的设计，而同类竞品中，主板上的 TVS 基本在 10 个以上。2019 年天猫精灵音箱产品在ESD 防护设计上节省的总成本超过 200 万元。

经过 4 年多的沉淀积累，天猫精灵新产品的 ESD 防护设计再没有让研发团队发愁，X5、10 英寸屏等产品的 ESD 防护设计更是一版就成功。天猫精灵硬件研发团队在 ESD 防护设计上不仅提高了等级，提升了产品品质，也将成本降到了最低，给用户带来了更好的体验。

尽管过程艰难，但我们做到了！或许是阿里巴巴“新六脉”价值驱动，以及新业务的现实压力，催生出了硬件研发的质变，相信阿里的同事都能感受到。