【技术大神】基于TVS管阵列的ESD防护设计及注意事项

2016-10-26 世强
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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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  • 来去无踪 Lv7. 资深专家 2019-05-28
    学习了
  • 玉石 Lv4. 资深工程师 2018-12-26
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  • 妍妍 Lv5. 技术专家 2017-12-23
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品类:TVS Diodes

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现货: 0

品牌:LITTELFUSE

品类:TVS Diodes

价格:¥252.1401

现货: 0

品牌:辰达行

品类:瞬变TVS管

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品牌:DIOTEC

品类:TVS管

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品牌:DIOTEC

品类:TVS管

价格:¥0.6228

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品牌:DIOTEC

品类:TVS管

价格:¥0.6576

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品牌:DIOTEC

品类:TVS管

价格:¥0.6228

现货: 4,000

品牌:DIOTEC

品类:TVS管

价格:¥0.3891

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品牌:DIOTEC

品类:TVS管

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品牌:PTTC

品类:贴片TVS管

价格:¥0.4500

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品牌:君耀电子

品类:TVS管

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品牌:PTTC

品类:贴片TVS管-双向

价格:¥0.4500

现货:54,000

品牌:君耀电子

品类:TVS管

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品牌:君耀电子

品类:TVS管

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品牌:PTTC

品类:贴片TVS管-单向

价格:¥0.4500

现货:9,000

品牌:君耀电子

品类:TVS管

价格:¥0.2111

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品牌:君耀电子

品类:TVS管

价格:¥0.1186

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品牌:君耀电子

品类:TVS管

价格:¥0.1883

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品牌:Injoinic

品类:IC

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MCU烧录/Flash烧录/CPLD烧录

可烧录IC封装SOP/MSOP/SSOP/TSOP/TSSOP/PLCC/QFP/QFN/MLP/MLF/BGA/CSP/SOT/DFN;IC包装Tray/Tube/Tape;IC厂商不限,交期1-3天。支持IC测试(FT/SLT),管装、托盘装、卷带装包装转换,IC打印标记加工。

最小起订量: 1pcs 提交需求>

LED数码管定制

可定制单位/双位/三位/四位LED数码管的尺寸/位数/发光颜色等性能参数,每段亮度0.8~30mcd,主波长470~640nm,电压2~10.2V。

最小起订量: 1000 提交需求>

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授权代理品牌:接插件及结构件

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