【技术大神】基于TVS管阵列的ESD防护设计及注意事项
最近笔者正在做一个与电网相关的智能采集终端项目，属于技改产品，即根据客户的新需求和国网、南网新标准对原设计进行改进。笔者在做原产品的静电（ESD）抗扰度4级试验，即接触放电±8kV时，发现以太网会中断，直到ESD干扰消除后才能恢复正常，如图1所示，这种现象不满足国网、南网标准中“实验过程中，以太网偶尔中断，但能自行恢复”的规定。
图1：以太网中断不能重连
有ESD设计经验的人一般都知道静电干扰途径主要为地传导、信号线+电源线+I/O线传输和空间辐射三种。针对以上三种干扰改进ESD设计的方法如下：
1）软件复位设计。增加软件看门狗，主循环坏死就reset；加状态检测判断寄存器/IO口状态是否正确，不对就reset。
2）增加保护目标ESD免疫力，即增强IC本身ESD防护能力，比如内置集成ESD。
3）降低减弱ESD放电对保护目标的冲击强度，比如在IC外围增加TVS管和防静电管等ESD防护器件，割地处理，对地并电容，及缩短走线距离等。
首先以太网芯片属于公司大批量使用的通用芯片，不应替代；其次软件看门狗/reset都已经做了处理，所以方法1和2都不可选，只能选择方法3。查看老版原理图发现原设计并未对以太网模块做所需的防ESD处理，只是在数字电源VCC和模拟电源AVCC上加了TVS管，而关键的差分信号TX+/TX-和RX+/RX-并没有设计ESD防护，所以需在差分信号端增加4个TVS管。
TVS管选型需要考虑以下因素：
1）大批量供货需考虑成本，一般而言，TVS管阵列比增加4个TVS管便宜；
2）封装小，节省Layout空间，方便布局，TVS管阵列会比4个TVS管的体积小很多；
3）ESD防护能力，必须大于国网、南网静电抗扰度4级，即接触放电±8kV，空气放电±15kV；
4）负载电容越低越好，能快速吸收ESD干扰。
经过查询资料和厂家推荐，笔者最终选择LITTELFUSE公司的TVS管阵列SP3004，原因在于：
1）封装极小，1.6mm*1.2mm，封装和内部结构示意图如图2所示；
2）超低负载电容，0.85pF，可将快速信号衰减程度降至最低水平；
3）ESD防护能力高，接触放电±12kV，空气放电±15kV，远高于国网、南网标准；
4）极低的动态电阻1.8Ω，提供超低箝位电压；超低漏电流，3.3V时最大1nA电流；
5）以太网电源AVCC设计上能节省一个TVS管；
6）价格便宜。
图2：SP3004封装和内部结构示意图
以太网防静电部分设计原理图如图3所示，L2、C59、C60组成π型滤波网络，C61为去耦电容，R74-R77为以太网传输信号的上拉电阻，V10为TVS管，D9为TVS管阵列。
图3：以太网防静电部分电路
增加TVS管阵列SP3004后，以太网模块在Layout设计时需注意以下几点：
1）SP3004、滤波电容等ESD防护器件尽量和以太网芯片放在同一层，且尽量在同一层将它们的地pin与以太网芯片的地pin，这样能减少环路面积，让所包含的场流量减小，其感应电流减小。
2）SP3004、滤波电容等ESD防护器件要靠近以太网芯片放置，差分信号和电源的走线先经过ESD器件pin再到以太网芯片pin；
3）要尽量保证地平面连续，该打过孔的地方要打过孔，以增加回流路径；
4）以太网模块不要靠近整个板件的边沿，尽量往中间放，这样能增强水平和垂直耦合静电抗扰度能力。
具体PCB布局如图4所示，由于以太网差分信号从下面上来，所以SP3004放在左下角，这样保证了信号线先经过TVS管阵列再到以太网芯片pin上。
图4：以太网layout设计
改进后的设计，静电实验结果如图5所示。实验过程中偶尔断一次，但能立刻恢复，满足了国网、南网静电抗扰度4级实验要求。
图5：改进设计后的静电实验结构
作者：叵仄兮
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