胡光亮（上海雷卯電子科技有限公司 上海 200114）摘要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品在生產(chǎn),、使用過(guò)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。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(wú)疑已經(jīng)成科技產(chǎn)業(yè)界的必爭(zhēng)之地。未來(lái)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(guò)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(lái)幫助人們獲得更好的健康指標(biāo)；智能車(chē)輛和交通系統(tǒng),，提高車(chē)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(mǎn)足各種應(yīng)用新功能,，數(shù)字化各種環(huán)境監(jiān)測(cè),，包括我們自身的監(jiān)測(cè)。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(wú)處不在，在設(shè)備通信的同時(shí),，信息通道同時(shí)也打開(kāi)了一扇電磁干擾的門(mén),，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(guò)程,。
 圖1：靜電放電曲線人體放電模型（HBM）：本標(biāo)準(zhǔn)的目的是模擬帶電人體通過(guò)芯片對(duì)地之間的靜電釋放過(guò)程，主要用于芯片在生產(chǎn)制造和安裝過(guò)程中的靜電測(cè)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(jí)測(cè)試,。ESD失效的具體原因，多數(shù)基于用戶(hù)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級(jí)防靜電測(cè)試,，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被稱(chēng)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(hù)使用環(huán)境中的靜電釋放過(guò)程，這是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的防靜電測(cè)試,，目的是為了確保終端產(chǎn)品的使用可靠性,，這個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為在用戶(hù)使用過(guò)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(cè)試比較常用。 ISO 10605：本標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)汽車(chē)市場(chǎng)和基于模型的模擬人體在汽車(chē)內(nèi)或從外進(jìn)入汽車(chē)對(duì)汽車(chē)部件的靜電放電過(guò)程,，滿(mǎn)足本標(biāo)準(zhǔn)可以確保車(chē)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(jiǎn)稱(chēng)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(duì)靜電敏感的元件,。以TVS/ESD二極管為例：當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)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(guò)二極管被引開(kāi)，避開(kāi)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(jiàn)圖2：
①反向斷態(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,。 ②擊穿電壓VBR：TVS/ESD通過(guò)規(guī)定的測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)的峰值電流越小,。 ④最大箝位電壓VC：TVS/ESD流過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi),，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(guò)受保護(hù)器件的最大承受電壓,，電路電壓不超過(guò)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；（2）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,； （4）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(kāi)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)。
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(jiǎn)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(ài)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(wèn)百答 作者：徐強(qiáng)華 作者簡(jiǎn)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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