【技术大神】热插拔接口ESD防护实例

时间： 2016-08-17 来源：技术大神活动文章

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热插拔（hot-plugging或Hot Swap）是指允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出或者更换电气连接件。由于不需要关闭系统，所以在很大程度上提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性以及灵活性。目前，最普遍的热插拔就是USB设备的插拔。热插拔时，端口的信号线（例如HDMI线）已经带电，本身可以等效成一个充了电的大电容，电荷会在与设备接触时释放。这种现象类似于静电释放，通常会对设备产生严重破坏。事实上，这种由热插拔造成的静电释放是一种对IC危害很大的ESD事件。所以目前几乎所有的电子产品都会针对设备的热插拔设计相应的保护电路来抑制电荷的直接释放。

图1：ESD事件产生方框图

本文以常见的HDMI接口为例，从电路布局和PCB设计两个方面，来分析热插拔电路的ESD防护。

HDMI是时下流行的专用型数字化接口，可同时传送影、音信号，数据传输带宽可达5Gbps，数据在不同设备之间可实现高速、高性能传输。HDMI接口采用高速差动信号传输方式，信号在接地层与电源层之间摇摆，非常容易带入噪声，对寄生电容值的大小要求很高，通常要控制在1pf之内。传统ESD抑制器件（TVS、气体放电管）的寄生电容过大，很可能会破坏信号的完整性，造成数据位丢失或令其波形失真。本文设计基于LITTELFUSE的XGD系列聚合物ESD抑制器（0402封装电容仅为0.04pf）。

图2：不同电容值的寄生电容对信号波形的影响

当选择确定好与电路参数吻合的ESD抑制器之后，首先需要考虑的就是器件的布局。抑制器安装在电路板的什么位置才会使HDMI接口的后端电路会得到最优的保护？

简单来说，要把ESD抑制器置于HDMI连接器的后端，它应该是整个电路第一个受到ESD瞬变影响的板级元件。尽量使后端的HDMI接收机（或者发射机）远离ESD抑制器。最优的位置是在HDMI插头接口外壳（机壳）入口的连接器内部，目的是将“敌人”（ESD事件）消灭在“最前线”（最前端）。

电路布局上还需要注意的一点是ESD抑制器与被保护器件（HDMI接收机或发射机）之间的耦合。HDMI这种热插拔电气连接件，高速信号和ESD瞬态变化会不可避免的产生寄生电感，少量的寄生电感搭配高频信号会产生极大的阻抗。因此，设计过程中，可以通过适当拉大ESD抑制器跟HDMI收发机之间的距离来协调寄生电感的大小。

图3：HDMI接口电路ESD防护布局示意图

完成器件的选择和布局之后，剩下的问题就只有PCB的设计了，根据实际情况可以提供以下作为参考：
1）一般来说，布局前端的导线长度应该尽可能的短，因为ESD纳秒级的脉冲可能会产生额外的感应电压。感应电压形成的路径很有可能成为浪涌到达被保护电路的桥梁，这会降低ESD器件对电路的保护能力；
2）HDMI这种高速差分线对一定要保持线长匹配，否则会导致时序偏移、降低信号质量以及增加 EMI；
3）差分信号线之间的耦合会影响信号线的外在阻抗，必须选择适当的终端电阻实现对差分传输线的匹配，匹配电阻的配合能起到更好的静电防护作用，匹配的电阻通常要并排放置，不推荐前后放置；
4）输入端ESD抑制器接地端要接入屏蔽地层，并且放置在端口。

图4：HDMI高频走线注意事项

作者：小撮货

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闲云 Lv7. 资深专家 2018-09-18

学习了，这类文章不错
watson Lv7. 资深专家 2018-08-02

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NASA911 Lv8. 研究员 2018-07-31

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用户58895276 Lv3 2018-04-01

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LouBing Lv7. 资深专家 2018-03-31

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海中浪 Lv4 2018-03-12

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大虾 Lv6. 高级专家 2018-02-10

资料不错，对EMC防静电设计很有帮助。
NASA911 Lv8. 研究员 2018-01-27

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aegean Lv5. 技术专家 2017-12-29

为什么看不到图？
OwenK Lv7. 资深专家 2017-12-19

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Vrwm为15V，大幅度超出ESD测试标准，具有更强的保护能力，且设计简单。

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Littelfuse（力特） RKEF400 PTC过流保护器件数据手册

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2019-03-28 - 新产品代理服务技术支持现货查询批量订货

【应用】Littelfuse（力特）电路保护器件在BMS的应用

描述- 适用于BMS的Littelfuse（力特）保护方案

型号- 0HEV030.,0440008.,SPHV-C,SP3030-01,L50QS,0440001.WR,L70QS100.V,0451002.MRL,0251003.,0251015.,L70QS150.,TPSMB27CA,0437002.WRA,0437008.WR,L70QS040.V,L70QS300.,0505025.MXEP,0437005.,TPSMB15A,SM24CANA,TPSMB27A,0453.630MRA,0505025.,0251.062NRT1L,0451004.,L70QS080.,TPSMB30CA,L70QS600.V,0504030.,L70QS040.,TPSMB24A,0505025.MX52LEP,SP4021-01,0505010.,0505015.MXEP,04401.75,0HEV030.ZXISO,0440.750WR,TPSMB30,251,0437.500,L70QS,L70QS100.,SD05C-01FTG,0504025.MXEP,L50QS500.X,L70QS400.V,L50QS500.,TPSMB13A,0505030.MXEP,0451003.MRL,0453001.MR,0HEV030.ZXPCBL,0251.062,0251015.MRT1L,SP3030,L70QS200.V,L70QS450.,L70QS450.V,L50QS200.,0437008.,L70QS600.,04531.25MR,0437002.,04401.75WR,TPSMA6L,0505020.,TPSMB22A,0451001.MRL,0453001.MRL,0451001.,SPHV36-01KTG-C,04531.25,0HEV030.ZXBD,0453.630,437,L70QS080.V,TPSMB18A,0251003.MXL,LC HEV,0451008.,0451008.MRL,L70QS035.V,0440003.,L70QS700.V,0437.750,0440002.WR,0437.750WRA,440,SP4021-01FTG-C,SP4021,TPSMB13CA,0505020.MX52LEP,L70QS400.,L50QS400.,L70QS500.V,TPSMB16A,TPSMB20A,0505030.,0451003.,L70QS150.V,0440003.WR,0440002.,SM24CANA-02,451,453,L70QS350.V,0440.750,L70QS350.,0504025.,TPSMB20CA,TPSMB62CA,L70QS700.,L70QS035.,0504030.MXEP,L70QS500.,0451003.MR,SD-C,TPSMA6L5.0A,0437003.,0505010.MXEP,0505015.,0HEV030.SXBD,TPSMB,0451002.,0440008.WR,L50QS400.V,0453001.,0440001.,SPHV12-01ETG-C,L70QS300.V,SP3030-01ETG,L50QS200.V,SPHV12-01C,0437.500WR,504,SD05C-01,0451004.MRL,505,L70QS200.,SM24CANA-02HTG

2016年05月18日 - LITTELFUSE - 应用及方案代理服务技术支持现货查询批量订货