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LEIDITECH TVS ARRAY 的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

發(fā)布時間:2018-10-09 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】上海雷卯電子工程師在負(fù)責(zé)電力行業(yè)的智能采集終端項(xiàng)目升級時,即根據(jù)客戶的新需求和國網(wǎng)、南網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)對原設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。在做原產(chǎn)品的靜電(ESD)抗擾度4級試驗(yàn),即接觸放電±8kV時,發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)會中斷,直到ESD干擾消除后才能恢復(fù)正常,如圖1所示,這種現(xiàn)象不滿足國網(wǎng)、南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中“實(shí)驗(yàn)過程中,以太網(wǎng)偶爾中斷,但能自行恢復(fù)”的規(guī)定,CLASS B的要求。
 
LEIDITECH TVS ARRAY 的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
圖1:以太網(wǎng)中斷不能重連
 
有ESD設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人一般都知道靜電干擾途徑主要為地傳導(dǎo)、信號線+電源線+I/O線傳輸和空間輻射三種。針對以上三種干擾改進(jìn)ESD設(shè)計(jì)的方法如下:
 
1)軟件復(fù)位設(shè)計(jì)。增加軟件看門狗,主循環(huán)壞死就reset;加狀態(tài)檢測判斷寄存器/IO口狀態(tài)是否正確,不對就reset。
2)增加保護(hù)目標(biāo)ESD免疫力,即增強(qiáng)IC本身ESD防護(hù)能力,比如內(nèi)置集成ESD。
3)降低減弱ESD放電對保護(hù)目標(biāo)的沖擊強(qiáng)度,比如在IC外圍增加TVS管和防靜電管等ESD防護(hù)器件,割地處理,對地并電容,及縮短走線距離等。
 
首先以太網(wǎng)芯片屬于公司大批量使用的通用芯片,不應(yīng)替代;其次軟件看門狗/reset都已經(jīng)做了處理,所以方法1和2都不可選,只能選擇方法3。查看老版原理圖發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)并未對以太網(wǎng)模塊做所需的防ESD處理,只是在數(shù)字電源VCC和模擬電源AVCC上加了TVS管,而關(guān)鍵的差分信號TX+/TX-和RX+/RX-并沒有設(shè)計(jì)ESD防護(hù),所以需在差分信號端增加4個TVS管。
 
TVS管選型需要考慮以下因素:
 
1)大批量供貨需考慮成本,一般而言,TVS管陣列比增加4個TVS管便宜;
2)封裝小,節(jié)省Layout空間,方便布局,TVS管陣列會比4個TVS管的體積小很多;
3)ESD防護(hù)能力,必須大于國網(wǎng)、南網(wǎng)靜電抗擾度4級,即接觸放電±8kV,空氣放電±15kV;
4)負(fù)載電容越低越好,能快速吸收ESD干擾。
 
經(jīng)過查詢資料選用
 
1)封裝極小,1.6mm*1.2mm,封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示;
2)超低負(fù)載電容,0.85pF,可將快速信號衰減程度降至最低水平;
3)ESD防護(hù)能力高,接觸放電±15kV,空氣放電±15kV,遠(yuǎn)高于國網(wǎng)、南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn);
4)極低的動態(tài)電阻,提供超低箝位電壓;超低漏電流,3.3V時最大1nA電流;
5)以太網(wǎng)電源AVCC設(shè)計(jì)上能節(jié)省一個TVS管;
6)價格便宜。
 
 
LEIDITECH TVS ARRAY 的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
圖2:LEIDITECH ULC0504T6封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
 
以太網(wǎng)防靜電部分設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示,L2、C59、C60組成π型濾波網(wǎng)絡(luò),C61為去耦電容,R74-R77為以太網(wǎng)傳輸信號的上拉電阻,V10為TVS管,D9為TVS管陣列。
 
LEIDITECH TVS ARRAY 的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
圖3:以太網(wǎng)防靜電部分電路
 
增加TVS管陣列ULC0504T6后,以太網(wǎng)模塊在Layout設(shè)計(jì)時需注意以下幾點(diǎn):
 
1)ULC0504T6、濾波電容等ESD防護(hù)器件盡量和以太網(wǎng)芯片放在同一層,且盡量在同一層將它們的地pin與以太網(wǎng)芯片的地pin,這樣能減少環(huán)路面積,讓所包含的場流量減小,其感應(yīng)電流減小。
2)ULC0504T6、濾波電容等ESD防護(hù)器件要靠近以太網(wǎng)芯片放置,差分信號和電源的走線先經(jīng)過ESD器件pin再到以太網(wǎng)芯片pin;
3)要盡量保證地平面連續(xù),該打過孔的地方要打過孔,以增加回流路徑;
4)以太網(wǎng)模塊不要靠近整個板件的邊沿,盡量往中間放,這樣能增強(qiáng)水平和垂直耦合靜電抗擾度能力。
 
具體PCB布局如圖4所示,由于以太網(wǎng)差分信號從下面上來,所以ULC0504T6放在左下角,這樣保證了信號線先經(jīng)過TVS管陣列再到以太網(wǎng)芯片pin上。
 
LEIDITECH TVS ARRAY 的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
圖4:以太網(wǎng)layout設(shè)計(jì)
 
改進(jìn)后的設(shè)計(jì),靜電實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過程中偶爾斷一次,但能立刻恢復(fù),滿足了國網(wǎng)、南網(wǎng)靜電抗擾度4級實(shí)驗(yàn)要求。
 
LEIDITECH TVS ARRAY 的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
圖5:改進(jìn)設(shè)計(jì)后的靜電實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)
 
 
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