物聯(lián)網(wǎng)互連接口的系統防靜電方案
胡光亮
?。ㄉ钲谔じ桦娮涌萍加邢薰?上海 200114）
摘要：針對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用過(guò)程中遇到的靜電威脅，列舉了各種典型接口的防雷防靜電保護方案。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 接口保護
防靜電 ESD
1.物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品防靜電的必要性
作為繼互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)之后的又一次技術(shù)革命浪潮，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）無(wú)疑已經(jīng)成科技產(chǎn)業(yè)界的必爭之地。
未來(lái)的家中智能電器，給你提供新鮮、時(shí)令食品的建議以及如何烹飪飲食；智能家居，自動(dòng)根據環(huán)境光條件，相應地調整亮度或改變他們的顏色改變心情；智能氛圍控制，通過(guò)學(xué)習習慣居民最有效地使用能源加熱或冷卻；智能穿戴，可以自動(dòng)根據心情提供建議服裝，讀取身體健康參數，提供建議健身活動(dòng)與飲食來(lái)幫助人們獲得更好的健康指標；智能車(chē)輛和交通系統，提高車(chē)輛行駛效率和舒適性，使公路旅行更加安全。
物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品提供滿(mǎn)足各種應用新功能，數字化各種環(huán)境監測，包括我們自身的監測。然而，正是這種通信的交互、或者人和設備之間的頻繁溝通無(wú)處不在，在設備通信的同時(shí)，信息通道同時(shí)也打開(kāi)了一扇電磁干擾的門(mén)，其中最普通的電磁干擾就是靜電的威脅。任何時(shí)候,電纜與連接器接觸,或一個(gè)人接觸一個(gè)電子系統,有一個(gè)電荷轉移的可能性，隨之就會(huì )產(chǎn)生靜電放電過(guò)程。
2.靜電放電的測試標準
圖1：靜電放電曲線(xiàn)
.jpg)
人體放電模型（HBM）：本標準的目的是模擬帶電人體通過(guò)芯片對地之間的靜電釋放過(guò)程，主要用于芯片在生產(chǎn)制造和安裝過(guò)程中的靜電測試。雖然HBM通常是足夠的防靜電控制環(huán)境的工廠(chǎng)，它完全不適用于系統級測試。ESD失效的具體原因，多數基于用戶(hù)大范圍的使用環(huán)境，各種電壓和電流。由于這個(gè)原因,，行業(yè)使用不同的測試標準的系統級防靜電測試，這個(gè)標準被稱(chēng)為IEC 61000-4-2。
IEC 61000-4-2：本標準的目地是模擬帶電人體在用戶(hù)使用環(huán)境中的靜電釋放過(guò)程，這是一個(gè)系統級的防靜電測試，目的是為了確保終端產(chǎn)品的使用可靠性，這個(gè)測試標準認為在用戶(hù)使用過(guò)程中，不會(huì )刻意降低身上的靜電，特別是在干燥的環(huán)境，目前這個(gè)標準的測試比較常用。
ISO 10605：本標準是針對汽車(chē)市場(chǎng)和基于模型的模擬人體在汽車(chē)內或從外進(jìn)入汽車(chē)對汽車(chē)部件的靜電放電過(guò)程，滿(mǎn)足本標準可以確保車(chē)載產(chǎn)品不被駕駛員、裝載工或技術(shù)員身上的靜電損壞。
3.防靜電元件的特性
防靜電元件（TVS/ESD）因其固有的電氣參數特性，用于ESD防護非常效果好，TVS/ESD元件有幾個(gè)關(guān)鍵參數：
瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor）簡(jiǎn)稱(chēng)TVS/ESD，是一種二極管形式的高效能保護器件，利用P-N結的反向擊穿工作原理，將靜電的高壓脈沖導入地，從而保護了電器內部對靜電敏感的元件。以TVS/ESD二極管為例：當瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后，
TVS/ESD二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結果是瞬時(shí)電流通過(guò)二極管被引開(kāi)，避開(kāi)被保護器件，并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當瞬時(shí)脈沖結束以后，TVS/ESD二極管自動(dòng)回復高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。
TVS/ESD有單向和雙向兩種，單向TVS/ESD二極管的特性與穩壓二極管相似，雙向TVS/ESD的特性相當于兩個(gè)穩壓二極管反向串聯(lián)，其I-V曲線(xiàn)特性圖見(jiàn)圖2：
.jpg)
?、俜聪驍鄳B(tài)電壓(截止電壓)VRWM與反向漏電流IR：反向斷態(tài)電壓(截止電壓)VRWM表示TVS管不導通的最高電壓，在這個(gè)電壓下只有很小的反向漏電流IR。
?、趽舸╇妷篤BR：TVS/ESD通過(guò)規定的測試電流IT時(shí)的電壓，這是表示TVS管導通的標志電壓。
?、勖}沖峰值電流IPP：TVS/ESD允許通過(guò)的10/1000μs波的最大峰值電流（8/20μs波的峰值電流約為其5倍左右，8/20μs是定義IPP脈沖波電流，請參考下圖3），超過(guò)這個(gè)電流值就可能造成永久性損壞。在同一個(gè)系列中，擊穿電壓越高的管子允許通過(guò)的峰值電流越小。
?、茏畲篌槲浑妷篤C：TVS/ESD流過(guò)脈沖峰值電流IPP時(shí)兩端所呈現的電壓。
?、菡驅妷篤F：TVS/ESD通過(guò)正向導通電流IF的壓降。
圖3：浪涌8/20μS電流波形
.jpg)
了解了TVS/ESD的特性曲線(xiàn)，就清楚了TVS/ESD的任務(wù)就是發(fā)生ESD事件時(shí)，將輸入電壓維持在安全過(guò)壓范圍之內，而在正常工作時(shí)不影響系統性能。TVS/ESD被放置于鄰近ESD事件可能進(jìn)入系統的位置，旨在限制敏感節點(diǎn)處的電壓，并將電流引至不太敏感的節點(diǎn)，如地電平。為實(shí)現這個(gè)功能，ESD二極管必須在正常工作電壓范圍內擁有高阻抗，在正常工作電壓范圍之外擁有低阻抗，這樣才能將電流直接從敏感節點(diǎn)引開(kāi)，并限制瞬態(tài)電壓，所以保證了系統性防靜電的可靠性。
4.防靜電電路的設計
4.1在電路中接口處并聯(lián)ESD保護器件
如下圖4所示，最有效的辦法是在接口的入口處并聯(lián)ESD二極管，由于ESD的鉗位特性，在靜電放電時(shí)，靜電尖峰電壓被ESD二極管鉗壓在規定范圍內，確保了后部芯片的穩定工作。
圖4：ESD二極管工作原理
4.2 在電路中選擇合適的ESD保護器件
選擇ESD靜電保護器件注意：
箝制電壓不要超過(guò)受保護器件的最大承受電壓，電路電壓不超過(guò)保護器件工作電壓，低電容值、漏電流盡可能的減少干擾及損耗。
4.3 ESD保護器件在電路中的位置及地線(xiàn)設置
?。?）靜電保護器件盡量安裝在最接近靜電輸入的地方，遠離被保護器件；
?。?）靜電保護器件一定接的大地線(xiàn)，不是數字地線(xiàn)；
?。?）回地的線(xiàn)路盡量的短，靜電保護器件與被保護線(xiàn)路之間的距離盡量的短；
?。?）盡量避免被保護與未被保護線(xiàn)路并排走線(xiàn)。
5.物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)接口的靜電保護案例
由于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品眾多，各種傳感采集信號多樣，數據處理、傳輸的主要芯片也各不相同，目前各公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了針對各種通信接口的多路保護器件，也可以根據布板的需求選擇單路的產(chǎn)品。
5.1 物聯(lián)網(wǎng)接口速率,寄生電容和相應ESD保護器件表
物聯(lián)網(wǎng)基于各種不同速率的通信接口對電路上寄生電容的不同要求，而ESD二極管自身的寄生電容又不可避免，所以在針對不同的通信接口選擇ESD時(shí)，產(chǎn)品的寄生電容值需要特別重視，以下列表為整理的各種通信接口速率及對ESD二極管電容的限制及針對通信接口的保護方案所用型號。
| 序號 |
接口名稱(chēng) |
傳輸速度（Mbit/S） |
對電路寄生電容要求（pf） |
推薦保護器件 |
| 一級保護 |
二級保護 |
三級保護 |
| 1 |
USB2.0接口 |
480 |
<3 |
|
|
SR05/SRV05-4 |
| 2 |
USB3.0接口 |
4800 |
<1 |
|
|
LC05CD |
| 3 |
USB3.1接口 |
10000 |
<0.5 |
|
|
ULC3324P10
ULC052010P5 |
| 4 |
TYPE-C接口 |
10000 |
<0.5 |
|
|
ULC3324P10
ULC052010P5 |
| 5 |
快充USB接口 |
480 |
<3 |
|
|
ULC1654N |
| 6 |
快充電源接口 |
- |
- |
|
|
ESD1285P |
| 7 |
100M網(wǎng)絡(luò )接口 |
100 |
<5 |
3R090-5S |
HL60-025 |
SLVU2.8-4/SRV05-4 |
| 8 |
1000M網(wǎng)絡(luò )接口 |
1000 |
<1 |
3R090-5S |
HL60-025 |
LC3311CCW |
| 9 |
10000M網(wǎng)絡(luò )接口 |
10000 |
<1 |
3R090-5S |
HL60-025 |
ULC0542T |
| 10 |
POE網(wǎng)絡(luò )接口 |
100 |
<5 |
3R090-5S |
HL60-025 |
SLVU2.8-4
SMCJ68CA |
| 11 |
HDMI1.3接口 |
10200 |
<1 |
|
|
ULC0524P |
| 12 |
HDMI1.4接口 |
10200 |
<1 |
|
|
ULC0524P |
| 13 |
HDMI2.0接口 |
18000 |
<0.5 |
|
|
ULC0514P10
ULC0544P10 |
| 14 |
DISPLAY視頻接口 |
5400 |
<1 |
|
|
ULC0524P |
| 15 |
VGA模擬視頻接口 |
162 |
<1 |
|
|
ULC0524P |
| 16 |
DVI數字視頻接口 |
3960 |
<1 |
|
|
ULC0544M |
| 17 |
Audio音頻接口 |
1.5 |
<100 |
|
|
SDA05W5/ULC0511CDN |
| 18 |
LVDS接口 |
655 |
<10 |
|
|
ULC0524P |
| 19 |
SIM卡接口 |
7.2 |
<10 |
|
|
SRV05-4 |
| 20 |
SD卡接口 |
10 |
<10 |
|
|
SRV05-4 |
| 21 |
MMC卡接口 |
10 |
<10 |
|
|
SRV05-4 |
| 22 |
E-SATA接口 |
6000 |
<1 |
|
|
ULC0524P |
| 23 |
I2C接口 |
3.4 |
<100 |
|
|
SDA05CW
SD05C |
| 24 |
T1 E1接口 |
1.544 |
<100 |
P2300SC |
HL250-120 |
SRV05-4 |
| 25 |
RS232接口 |
0.2 |
<50 |
|
|
SD12C
SMC12 |
| 26 |
RS485接口 |
10 |
<50 |
3R090-5S |
SMD1812P050TF |
SM712 |
| 27 |
CAN總線(xiàn)接口 |
1 |
<50 |
3R090-5S |
SMD1812P050TF/24 |
SMC24
SD24C |
| 28 |
LIN總線(xiàn)接口 |
1 |
<50 |
3R090-5S |
SMD1812P050TF |
SMC24
SD24C |
| 29 |
xDSL接口 |
2 |
<100 |
|
|
SR70 |
| 30 |
RF /GPS天線(xiàn)接口 |
1000 |
<1 |
SMD4532-090 |
|
ULC0511CDN |
| 31 |
GPIO接口 |
5 |
<100 |
|
|
SDA05W5
SD05C |
| 32 |
5V直流電源接口 |
- |
<1000 |
|
|
SMBJ5.0CA
SMCJ5.0CA |
| 33 |
12V直流電源接口 |
- |
<1000 |
|
|
SMBJ12CA
SMCJ12CA |
| 34 |
48V電源接口 |
- |
<1000 |
|
|
SMCJ48CA |
| 35 |
12V汽車(chē)電源口 |
- |
<1000 |
|
|
SMCJ22CA
SM8S22A |
| 36 |
24V汽車(chē)電源口 |
- |
<1000 |
|
|
SMCJ36CA
SM8S36CA |
| 37 |
220V交流電源接口 |
- |
<1000 |
2R600-8L |
20D561KJ |
|
表格所列的各種物聯(lián)網(wǎng)接口，踏歌有對應接口的靜電保護方案圖，方便技術(shù)參考設計，如有需要請隨時(shí)聯(lián)系作者。
6.物聯(lián)網(wǎng)接口靜電保護發(fā)展方向
物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)通信縱橫交錯，幫助工業(yè)4.0和工業(yè)5.0落地生根，追求更快、更穩、更簡(jiǎn)單。典型互連接口和IC不斷推陳出新，體積追求更小，線(xiàn)路更多更精密。防靜電ESD追隨接口IC的進(jìn)化，做著(zhù)相應匹配，ESD的體積將變得更小，電容更低，抗浪涌能力更強，線(xiàn)路更靈活。
參考文獻
[1] PCB中抗ESD的設計 作者：蔣愛(ài)如
[2]電子通信產(chǎn)品的ESD防護設計研究 作者：王媛媛 張堯
[3]電磁兼容百問(wèn)百答 作者：徐強華
作者簡(jiǎn)介：胡光亮，高級工程師，從事ESD元件的研發(fā)及電路防靜電的設計！
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