物聯(lián)網(wǎng)互連接口的系統(tǒng)防靜電方案
　　胡光亮
　?。ㄉ钲谔じ桦娮涌萍加邢薰?上海 200114）
　　摘要：針對(duì)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
　?、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。
　　③脈沖峰值電流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(qǐng)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。
　　④最大箝位電壓VC：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

　　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
　?。?）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；
　　（3）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(hào)多樣，數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)闹饕酒哺鞑幌嗤?，目前各公司已?jīng)開發(fā)了針對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)ESD二極管電容的限制及針對(duì)通信接口的保護(hù)方案所用型號(hào)。

序號(hào)	接口名稱	傳輸速度（Mbit/S）	對(duì)電路寄生電容要求（pf）	推薦保護(hù)器件
				一級(jí)保護(hù)	二級(jí)保護(hù)	三級(jí)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(duì)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(qǐng)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(jí)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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