LEIDITECH TVS ARRAY 的ESD防護設計要點
發布時間：2018-10-09 責任編輯：wenwei
【導讀】上海雷卯電子工程師在負責電力行業的智能采集終端項目升級時，即根據客戶的新需求和國網、南網新標準對原設計進行改進。在做原產品的靜電（ESD）抗擾度4級試驗，即接觸放電±8kV時，發現以太網會中斷，直到ESD幹擾消除後才能恢複正常，如圖1所示，這種現象不滿足國網、南網標準中“實驗過程中，以太網偶爾中斷，但能自行恢複”的規定，CLASS B的要求。
圖1：以太網中斷不能重連
有ESD設計經驗的人一般都知道靜電幹擾途徑主要為地傳導、信號線+電源線+I/O線傳輸和空間輻射三種。針對以上三種幹擾改進ESD設計的方法如下：
1）軟件複位設計。增加軟件看門狗，主循環壞死就reset；加狀態檢測判斷寄存器/IO口狀態是否正確，不對就reset。
2）增加保護目標ESD免疫力，即增強IC本身ESD防護能力，比如內置集成ESD。
3）降低減弱ESD放電對保護目標的衝擊強度，比如在IC外圍增加TVS管和防靜電管等ESD防護器件，割地處理，對地並電容，及縮短走線距離等。
首先以太網芯片屬於公司大批量使用的通用芯片，不應替代；其次軟件看門狗/reset都已經做了處理，所以方法1和2都不可選，隻能選擇方法3。查看老版原理圖發現原設計並未對以太網模塊做所需的防ESD處理，隻是在數字電源VCC和模擬電源AVCC上加了TVS管，而關鍵的差分信號TX+/TX-和RX+/RX-並沒有設計ESD防護，所以需在差分信號端增加4個TVS管。
TVS管選型需要考慮以下因素：
1）大批量供貨需考慮成本，一般而言，TVS管陣列比增加4個TVS管便宜；
2）封裝小，節省Layout空間，方便布局，TVS管陣列會比4個TVS管的體積小很多；
3）ESD防護能力，必須大於國網、南網靜電抗擾度4級，即接觸放電±8kV，空氣放電±15kV；
4）負載電容越低越好，能快速吸收ESD幹擾。
經過查詢資料選用
1）封裝極小，1.6mm*1.2mm，封裝和內部結構示意圖如圖2所示；
2）超低負載電容，0.85pF，可將快速信號衰減程度降至最低水平；
3）ESD防護能力高，接觸放電±15kV，空氣放電±15kV，遠高於國網、南網標準；
4）極低的動態電阻，提供超低箝位電壓；超低漏電流，3.3V時最大1nA電流；
5）以太網電源AVCC設計上能節省一個TVS管；
6）價格便宜。
圖2：LEIDITECH ULC0504T6封裝和內部結構示意圖
以太網防靜電部分設計原理圖如圖3所示，L2、C59、C60組成π型濾波網絡，C61為去耦電容，R74-R77為以太網傳輸信號的上拉電阻，V10為TVS管，D9為TVS管陣列。
圖3：以太網防靜電部分電路
增加TVS管陣列ULC0504T6後，以太網模塊在Layout設計時需注意以下幾點：
1）ULC0504T6、濾波電容等ESD防護器件盡量和以太網芯片放在同一層，且盡量在同一層將它們的地pin與以太網芯片的地pin，這樣能減少環路麵積，讓所包含的場流量減小，其感應電流減小。
2）ULC0504T6、濾波電容等ESD防護器件要靠近以太網芯片放置，差分信號和電源的走線先經過ESD器件pin再到以太網芯片pin；
3）要盡量保證地平麵連續，該打過孔的地方要打過孔，以增加回流路徑；
4）以太網模塊不要靠近整個板件的邊沿，盡量往中間放，這樣能增強水平和垂直耦合靜電抗擾度能力。
具體PCB布局如圖4所示，由於以太網差分信號從下麵上來，所以ULC0504T6放在左下角，這樣保證了信號線先經過TVS管陣列再到以太網芯片pin上。
圖4：以太網layout設計
改進後的設計，靜電實驗結果如圖5所示。實驗過程中偶爾斷一次，但能立刻恢複，滿足了國網、南網靜電抗擾度4級實驗要求。
圖5：改進設計後的靜電實驗結構
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