物聯(lián)網(wǎng)互連接口的系統(tǒng)防靜電方案
胡光亮
（深圳踏歌電子科技有限公司 上海 200114）
摘要：針對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用過程中遇到的靜電威脅，列舉了各種典型接口的防雷防靜電保護(hù)方案。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 接口保護(hù)
防靜電 ESD
1.物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品防靜電的必要性
作為繼互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)之后的又一次技術(shù)革命浪潮，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）無疑已經(jīng)成科技產(chǎn)業(yè)界的必爭之地。
未來的家中智能電器，給你提供新鮮、時(shí)令食品的建議以及如何烹飪飲食；智能家居，自動(dòng)根據(jù)環(huán)境光條件，相應(yīng)地調(diào)整亮度或改變他們的顏色改變心情；智能氛圍控制，通過學(xué)習(xí)習(xí)慣居民最有效地使用能源加熱或冷卻；智能穿戴，可以自動(dòng)根據(jù)心情提供建議服裝，讀取身體健康參數(shù)，提供建議健身活動(dòng)與飲食來幫助人們獲得更好的健康指標(biāo)；智能車輛和交通系統(tǒng)，提高車輛行駛效率和舒適性，使公路旅行更加安全。
物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品提供滿足各種應(yīng)用新功能，數(shù)字化各種環(huán)境監(jiān)測，包括我們自身的監(jiān)測。然而，正是這種通信的交互、或者人和設(shè)備之間的頻繁溝通無處不在，在設(shè)備通信的同時(shí)，信息通道同時(shí)也打開了一扇電磁干擾的門，其中最普通的電磁干擾就是靜電的威脅。任何時(shí)候,電纜與連接器接觸,或一個(gè)人接觸一個(gè)電子系統(tǒng),有一個(gè)電荷轉(zhuǎn)移的可能性，隨之就會(huì)產(chǎn)生靜電放電過程。
2.靜電放電的測試標(biāo)準(zhǔn)
圖1：靜電放電曲線
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人體放電模型（HBM）：本標(biāo)準(zhǔn)的目的是模擬帶電人體通過芯片對地之間的靜電釋放過程，主要用于芯片在生產(chǎn)制造和安裝過程中的靜電測試。雖然HBM通常是足夠的防靜電控制環(huán)境的工廠，它完全不適用于系統(tǒng)級測試。ESD失效的具體原因，多數(shù)基于用戶大范圍的使用環(huán)境，各種電壓和電流。由于這個(gè)原因,，行業(yè)使用不同的測試標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級防靜電測試，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被稱為IEC 61000-4-2。
IEC 61000-4-2：本標(biāo)準(zhǔn)的目地是模擬帶電人體在用戶使用環(huán)境中的靜電釋放過程，這是一個(gè)系統(tǒng)級的防靜電測試，目的是為了確保終端產(chǎn)品的使用可靠性，這個(gè)測試標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為在用戶使用過程中，不會(huì)刻意降低身上的靜電，特別是在干燥的環(huán)境，目前這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測試比較常用。
ISO 10605：本標(biāo)準(zhǔn)是針對汽車市場和基于模型的模擬人體在汽車內(nèi)或從外進(jìn)入汽車對汽車部件的靜電放電過程，滿足本標(biāo)準(zhǔn)可以確保車載產(chǎn)品不被駕駛員、裝載工或技術(shù)員身上的靜電損壞。
3.防靜電元件的特性
防靜電元件（TVS/ESD）因其固有的電氣參數(shù)特性，用于ESD防護(hù)非常效果好，TVS/ESD元件有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：
瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor）簡稱TVS/ESD，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件，利用P-N結(jié)的反向擊穿工作原理，將靜電的高壓脈沖導(dǎo)入地，從而保護(hù)了電器內(nèi)部對靜電敏感的元件。以TVS/ESD二極管為例：當(dāng)瞬時(shí)電壓超過電路正常工作電壓后，
TVS/ESD二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過二極管被引開，避開被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS/ESD二極管自動(dòng)回復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。
TVS/ESD有單向和雙向兩種，單向TVS/ESD二極管的特性與穩(wěn)壓二極管相似，雙向TVS/ESD的特性相當(dāng)于兩個(gè)穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)，其I-V曲線特性圖見圖2：
.jpg)
?、俜聪驍鄳B(tài)電壓(截止電壓)VRWM與反向漏電流IR：反向斷態(tài)電壓(截止電壓)VRWM表示TVS管不導(dǎo)通的最高電壓，在這個(gè)電壓下只有很小的反向漏電流IR。
?、趽舸╇妷篤BR：TVS/ESD通過規(guī)定的測試電流IT時(shí)的電壓，這是表示TVS管導(dǎo)通的標(biāo)志電壓。
?、勖}沖峰值電流IPP：TVS/ESD允許通過的10/1000μs波的最大峰值電流（8/20μs波的峰值電流約為其5倍左右，8/20μs是定義IPP脈沖波電流，請參考下圖3），超過這個(gè)電流值就可能造成永久性損壞。在同一個(gè)系列中，擊穿電壓越高的管子允許通過的峰值電流越小。
?、茏畲篌槲浑妷篤C：TVS/ESD流過脈沖峰值電流IPP時(shí)兩端所呈現(xiàn)的電壓。
⑤正向?qū)妷篤F：TVS/ESD通過正向?qū)娏鱅F的壓降。
圖3：浪涌8/20μS電流波形
.jpg)
了解了TVS/ESD的特性曲線，就清楚了TVS/ESD的任務(wù)就是發(fā)生ESD事件時(shí)，將輸入電壓維持在安全過壓范圍之內(nèi)，而在正常工作時(shí)不影響系統(tǒng)性能。TVS/ESD被放置于鄰近ESD事件可能進(jìn)入系統(tǒng)的位置，旨在限制敏感節(jié)點(diǎn)處的電壓，并將電流引至不太敏感的節(jié)點(diǎn)，如地電平。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，ESD二極管必須在正常工作電壓范圍內(nèi)擁有高阻抗，在正常工作電壓范圍之外擁有低阻抗，這樣才能將電流直接從敏感節(jié)點(diǎn)引開，并限制瞬態(tài)電壓，所以保證了系統(tǒng)性防靜電的可靠性。
4.防靜電電路的設(shè)計(jì)
4.1在電路中接口處并聯(lián)ESD保護(hù)器件
如下圖4所示，最有效的辦法是在接口的入口處并聯(lián)ESD二極管，由于ESD的鉗位特性，在靜電放電時(shí)，靜電尖峰電壓被ESD二極管鉗壓在規(guī)定范圍內(nèi)，確保了后部芯片的穩(wěn)定工作。
圖4：ESD二極管工作原理
4.2 在電路中選擇合適的ESD保護(hù)器件
選擇ESD靜電保護(hù)器件注意：
箝制電壓不要超過受保護(hù)器件的最大承受電壓，電路電壓不超過保護(hù)器件工作電壓，低電容值、漏電流盡可能的減少干擾及損耗。
4.3 ESD保護(hù)器件在電路中的位置及地線設(shè)置
（1）靜電保護(hù)器件盡量安裝在最接近靜電輸入的地方，遠(yuǎn)離被保護(hù)器件；
?。?）靜電保護(hù)器件一定接的大地線，不是數(shù)字地線；
?。?）回地的線路盡量的短，靜電保護(hù)器件與被保護(hù)線路之間的距離盡量的短；
?。?）盡量避免被保護(hù)與未被保護(hù)線路并排走線。
5.物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)接口的靜電保護(hù)案例
由于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品眾多，各種傳感采集信號多樣，數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)闹饕酒哺鞑幌嗤壳案鞴疽呀?jīng)開發(fā)了針對各種通信接口的多路保護(hù)器件，也可以根據(jù)布板的需求選擇單路的產(chǎn)品。
5.1 物聯(lián)網(wǎng)接口速率,寄生電容和相應(yīng)ESD保護(hù)器件表
物聯(lián)網(wǎng)基于各種不同速率的通信接口對電路上寄生電容的不同要求，而ESD二極管自身的寄生電容又不可避免，所以在針對不同的通信接口選擇ESD時(shí)，產(chǎn)品的寄生電容值需要特別重視，以下列表為整理的各種通信接口速率及對ESD二極管電容的限制及針對通信接口的保護(hù)方案所用型號。
| 序號 |
接口名稱 |
傳輸速度（Mbit/S） |
對電路寄生電容要求（pf） |
推薦保護(hù)器件 |
| 一級保護(hù) |
二級保護(hù) |
三級保護(hù) |
| 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 |
快充電源接口 |
- |
- |
|
|
ESD1285P |
| 7 |
100M網(wǎng)絡(luò)接口 |
100 |
<5 |
3R090-5S |
HL60-025 |
SLVU2.8-4/SRV05-4 |
| 8 |
1000M網(wǎng)絡(luò)接口 |
1000 |
<1 |
3R090-5S |
HL60-025 |
LC3311CCW |
| 9 |
10000M網(wǎng)絡(luò)接口 |
10000 |
<1 |
3R090-5S |
HL60-025 |
ULC0542T |
| 10 |
POE網(wǎng)絡(luò)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視頻接口 |
5400 |
<1 |
|
|
ULC0524P |
| 15 |
VGA模擬視頻接口 |
162 |
<1 |
|
|
ULC0524P |
| 16 |
DVI數(shù)字視頻接口 |
3960 |
<1 |
|
|
ULC0544M |
| 17 |
Audio音頻接口 |
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總線接口 |
1 |
<50 |
3R090-5S |
SMD1812P050TF/24 |
SMC24
SD24C |
| 28 |
LIN總線接口 |
1 |
<50 |
3R090-5S |
SMD1812P050TF |
SMC24
SD24C |
| 29 |
xDSL接口 |
2 |
<100 |
|
|
SR70 |
| 30 |
RF /GPS天線接口 |
1000 |
<1 |
SMD4532-090 |
|
ULC0511CDN |
| 31 |
GPIO接口 |
5 |
<100 |
|
|
SDA05W5
SD05C |
| 32 |
5V直流電源接口 |
- |
<1000 |
|
|
SMBJ5.0CA
SMCJ5.0CA |
| 33 |
12V直流電源接口 |
- |
<1000 |
|
|
SMBJ12CA
SMCJ12CA |
| 34 |
48V電源接口 |
- |
<1000 |
|
|
SMCJ48CA |
| 35 |
12V汽車電源口 |
- |
<1000 |
|
|
SMCJ22CA
SM8S22A |
| 36 |
24V汽車電源口 |
- |
<1000 |
|
|
SMCJ36CA
SM8S36CA |
| 37 |
220V交流電源接口 |
- |
<1000 |
2R600-8L |
20D561KJ |
|
表格所列的各種物聯(lián)網(wǎng)接口，踏歌有對應(yīng)接口的靜電保護(hù)方案圖，方便技術(shù)參考設(shè)計(jì)，如有需要請隨時(shí)聯(lián)系作者。
6.物聯(lián)網(wǎng)接口靜電保護(hù)發(fā)展方向
物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)通信縱橫交錯(cuò)，幫助工業(yè)4.0和工業(yè)5.0落地生根，追求更快、更穩(wěn)、更簡單。典型互連接口和IC不斷推陳出新，體積追求更小，線路更多更精密。防靜電ESD追隨接口IC的進(jìn)化，做著相應(yīng)匹配，ESD的體積將變得更小，電容更低，抗浪涌能力更強(qiáng)，線路更靈活。
參考文獻(xiàn)
[1] PCB中抗ESD的設(shè)計(jì) 作者：蔣愛如
[2]電子通信產(chǎn)品的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)研究 作者：王媛媛 張堯
[3]電磁兼容百問百答 作者：徐強(qiáng)華
作者簡介：胡光亮，高級工程師，從事ESD元件的研發(fā)及電路防靜電的設(shè)計(jì)！
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