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物联网互连接口的系统防静电方案
发布者:深圳市踏歌科技有限公司  发布时间:2017-09-21
物联网互连接口的系统防静电方案
  胡光亮
  (深圳踏歌电子科技有限公司 上海 200114)
  摘要:针对物联网产品在生产、使用过程中遇到的静电威胁,列举了各种典型接口的防雷防静电保护方案。
  关键词:物联网 接口保护 防静电 ESD

  1.物联网产品防静电的必要性
  作为继互联网、移动互联网之后的又一次技术革命浪潮,物联网(Internet of Things)无疑已经成科技产业界的必争之地。
  未来的家中智能电器,给你提供新鲜、时令食品的建议以及如何烹饪饮食;智能家居,自动根据环境光条件,相应地调整亮度或改变他们的颜色改变心情;智能氛围控制,通过学习习惯居民最有效地使用能源加热或冷却;智能穿戴,可以自动根据心情提供建议服装,读取身体健康参数,提供建议健身活动与饮食来帮助人们获得更好的健康指标;智能车辆和交通系统,提高车辆行驶效率和舒适性,使公路旅行更加安全。
  物联网产品提供满足各种应用新功能,数字化各种环境监测,包括我们自身的监测。然而,正是这种通信的交互、或者人和设备之间的频繁沟通无处不在,在设备通信的同时,信息通道同时也打开了一扇电磁干扰的门,其中最普通的电磁干扰就是静电的威胁。任何时候,电缆与连接器接触,或一个人接触一个电子系统,有一个电荷转移的可能性,随之就会产生静电放电过程。

  2.静电放电的测试标准
  图1:静电放电曲线
静电放电曲线
  人体放电模型(HBM):本标准的目的是模拟带电人体通过芯片对地之间的静电释放过程,主要用于芯片在生产制造和安装过程中的静电测试。虽然HBM通常是足够的防静电控制环境的工厂,它完全不适用于系统级测试。ESD失效的具体原因,多数基于用户大范围的使用环境,各种电压和电流。由于这个原因,,行业使用不同的测试标准的系统级防静电测试,这个标准被称为IEC 61000-4-2。
  IEC 61000-4-2:本标准的目地是模拟带电人体在用户使用环境中的静电释放过程,这是一个系统级的防静电测试,目的是为了确保终端产品的使用可靠性,这个测试标准认为在用户使用过程中,不会刻意降低身上的静电,特别是在干燥的环境,目前这个标准的测试比较常用。
  ISO 10605:本标准是针对汽车市场和基于模型的模拟人体在汽车内或从外进入汽车对汽车部件的静电放电过程,满足本标准可以确保车载产品不被驾驶员、装载工或技术员身上的静电损坏。

  3.防静电元件的特性
  防静电元件(TVS/ESD)因其固有的电气参数特性,用于ESD防护非常效果好,TVS/ESD元件有几个关键参数:
  瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor)简称TVS/ESD,是一种二极管形式的高效能保护器件,利用P-N结的反向击穿工作原理,将静电的高压脉冲导入地,从而保护了电器内部对静电敏感的元件。以TVS/ESD二极管为例:当瞬时电压超过电路正常工作电压后,TVS/ESD二极管便发生雪崩,提供给瞬时电流一个超低电阻通路,其结果是瞬时电流通过二极管被引开,避开被保护器件,并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后,TVS/ESD二极管自动回复高阻状态,整个回路进入正常电压。
  TVS/ESD有单向和双向两种,单向TVS/ESD二极管的特性与稳压二极管相似,双向TVS/ESD的特性相当于两个稳压二极管反向串联,其I-V曲线特性图见图2:
I-V曲线特性图
  ①反向断态电压(截止电压)VRWM与反向漏电流IR:反向断态电压(截止电压)VRWM表示TVS管不导通的最高电压,在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。
  ②击穿电压VBR:TVS/ESD通过规定的测试电流IT时的电压,这是表示TVS管导通的标志电压。
  ③脉冲峰值电流IPP:TVS/ESD允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流(8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右,8/20μs是定义IPP脉冲波电流,请参考下图3),超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中,击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小。
  ④最大箝位电压VC:TVS/ESD流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。
  ⑤正向导通电压VF:TVS/ESD通过正向导通电流IF的压降。
  图3:浪涌8/20μS电流波形
浪涌8/20μS电流波形
  了解了TVS/ESD的特性曲线,就清楚了TVS/ESD的任务就是发生ESD事件时,将输入电压维持在安全过压范围之内,而在正常工作时不影响系统性能。TVS/ESD被放置于邻近ESD事件可能进入系统的位置,旨在限制敏感节点处的电压,并将电流引至不太敏感的节点,如地电平。为实现这个功能,ESD二极管必须在正常工作电压范围内拥有高阻抗,在正常工作电压范围之外拥有低阻抗,这样才能将电流直接从敏感节点引开,并限制瞬态电压,所以保证了系统性防静电的可靠性。

  4.防静电电路的设计
  4.1在电路中接口处并联ESD保护器件
  如下图4所示,最有效的办法是在接口的入口处并联ESD二极管,由于ESD的钳位特性,在静电放电时,静电尖峰电压被ESD二极管钳压在规定范围内,确保了后部芯片的稳定工作。
  图4:ESD二极管工作原理

  4.2 在电路中选择合适的ESD保护器件
  选择ESD静电保护器件注意:
  箝制电压不要超过受保护器件的最大承受电压,电路电压不超过保护器件工作电压,低电容值、漏电流尽可能的减少干扰及损耗。
  4.3 ESD保护器件在电路中的位置及地线设置
  (1)静电保护器件尽量安装在最接近静电输入的地方,远离被保护器件;
  (2)静电保护器件一定接的大地线,不是数字地线;
  (3)回地的线路尽量的短,静电保护器件与被保护线路之间的距离尽量的短;
  (4)尽量避免被保护与未被保护线路并排走线。

  5.物联网互联接口的静电保护案例
  由于物联网产品众多,各种传感采集信号多样,数据处理、传输的主要芯片也各不相同,目前各公司已经开发了针对各种通信接口的多路保护器件,也可以根据布板的需求选择单路的产品。
  5.1 物联网接口速率,寄生电容和相应ESD保护器件表
  物联网基于各种不同速率的通信接口对电路上寄生电容的不同要求,而ESD二极管自身的寄生电容又不可避免,所以在针对不同的通信接口选择ESD时,产品的寄生电容值需要特别重视,以下列表为整理的各种通信接口速率及对ESD二极管电容的限制及针对通信接口的保护方案所用型号。
序号 接口名称 传输速度(Mbit/S 对电路寄生电容要求(pf) 推荐保护器件
一级保护 二级保护 三级保护
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 快充电源接口 - -     ESD1285P
7 100M网络接口 100 <5 3R090-5S HL60-025 SLVU2.8-4/SRV05-4
8 1000M网络接口 1000 <1 3R090-5S HL60-025 LC3311CCW
9 10000M网络接口 10000 <1 3R090-5S HL60-025 ULC0542T
10 POE网络接口 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视频接口 5400 <1     ULC0524P
15 VGA模拟视频接口 162 <1     ULC0524P
16 DVI数字视频接口 3960 <1     ULC0544M
17 Audio音频接口 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总线接口 1 <50 3R090-5S SMD1812P050TF/24 SMC24
SD24C
28 LIN总线接口 1 <50 3R090-5S SMD1812P050TF SMC24
SD24C
29 xDSL接口 2 <100     SR70
30 RF /GPS天线接口 1000 <1 SMD4532-090   ULC0511CDN
31 GPIO接口 5 <100     SDA05W5
SD05C
32 5V直流电源接口 - <1000     SMBJ5.0CA
SMCJ5.0CA
33 12V直流电源接口 - <1000     SMBJ12CA
SMCJ12CA
34 48V电源接口 - <1000     SMCJ48CA
35 12V汽车电源口 - <1000     SMCJ22CA
SM8S22A
36 24V汽车电源口 - <1000     SMCJ36CA
SM8S36CA
37 220V交流电源接口 - <1000 2R600-8L 20D561KJ  
 
  表格所列的各种物联网接口,踏歌有对应接口的静电保护方案图,方便技术参考设计,如有需要请随时联系作者。

  6.物联网接口静电保护发展方向
  物联网互联通信纵横交错,帮助工业4.0和工业5.0落地生根,追求更快、更稳、更简单。典型互连接口和IC不断推陈出新,体积追求更小,线路更多更精密。防静电ESD追随接口IC的进化,做着相应匹配,ESD的体积将变得更小,电容更低,抗浪涌能力更强,线路更灵活。

  参考文献
  [1] PCB中抗ESD的设计 作者:蒋爱如
  [2]电子通信产品的ESD防护设计研究 作者:王媛媛  张尧
  [3]电磁兼容百问百答 作者:徐强华
  作者简介:胡光亮,高级工程师,从事ESD元件的研发及电路防静电的设计!

 

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