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ESD器件對(duì)高速信號(hào)有什么影響嗎

發(fā)布時(shí)間:2023-10-24 10:53

高速先生成員--周偉

我們看到越來越多的工業(yè)相機(jī)對(duì)外的接口信號(hào)如USB3/HDMI等在線路上會(huì)并(或串)一個(gè)ESD器件(或者TVS管),大家覺得針對(duì)這種高速接口的信號(hào),ESD器件對(duì)信號(hào)會(huì)有什么影響嗎?另外針對(duì)這個(gè)器件,有些人喜歡叫ESD器件,有些人又喜歡叫TVS管,是不是有點(diǎn)傻傻分不清楚的感覺呢? 


要搞清楚這個(gè)問題,我們先來簡(jiǎn)單了解一下什么是ESD器件和TVS管,它們到底有什么作用。

ESD是Electro-Static Discharge的簡(jiǎn)稱,又叫靜電放電,是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移。生活中的靜電是人們非常熟悉的一種自然現(xiàn)象,比如小時(shí)候經(jīng)常用筆在頭發(fā)或毛衣上摩擦幾下,就能吸上小小的紙屑,以前覺得可神奇了。靜電放電有時(shí)候也會(huì)把它叫做靜電干(騷)擾,如今靜電放電已經(jīng)成為電子產(chǎn)品和設(shè)備的一種危害,造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至部件損壞?,F(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來越大,工作電壓越來越低,導(dǎo)致了半導(dǎo)體器件對(duì)外界電磁干擾敏感程度也大大提高。ESD對(duì)于電路引起的干擾、對(duì)元器件、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。ESD也是20世紀(jì)中期以來形成的以研究靜電的產(chǎn)生、危害及靜電防護(hù)等為主的學(xué)科,電子設(shè)備的ESD也開始作為電磁兼容性測(cè)試的一項(xiàng)重要內(nèi)容寫入國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn),因此就產(chǎn)生ESD靜電保護(hù)這么一個(gè)元器件產(chǎn)品,國際上習(xí)慣將用于靜電防護(hù)的器材統(tǒng)稱為ESD器件。


 

TVS的全稱是Transient Voltage Suppressors,中文叫瞬變電壓抑制二極管或瞬態(tài)抑制二極管,又叫鉗位型二極管,是一種限壓保護(hù)器件,作用與壓敏電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。它的外型與普通二極管相同,但卻能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率;它的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下,當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí),它能以10的負(fù)12次方秒量級(jí)的速度,將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?,吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率,使兩極間的電壓鉗位于一個(gè)預(yù)定值,有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件,免受各種浪涌脈沖的損壞。當(dāng)異常的高壓消失過后,電路進(jìn)入到正常工作狀態(tài)的時(shí)候,又恢復(fù)到高阻態(tài)。

TVS管的作用籠統(tǒng)來說就是在系統(tǒng)中保護(hù)電子系統(tǒng)免受高能瞬態(tài)脈沖的影響,如靜電放電(ESD)、雷電浪涌和電快速瞬態(tài)脈沖(EFT),起到防護(hù)效果,其具體作用在于:當(dāng)電路正常工作時(shí),它處于截止?fàn)顟B(tài)(高阻態(tài)),不影響線路正常工作, 在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下,當(dāng)承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過壓脈沖時(shí),其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值,允許大電流通過,并將電壓鉗制到預(yù)定水平,從而有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受損壞。

典型的 ESD 保護(hù)電路由與受保護(hù)組件或電路并聯(lián)放置的 TVS/ESD 二極管組成。在 ESD 事件期間,TVS/ESD 二極管提供接地的低阻抗路徑,從而快速鉗位電壓,將多余的能量從受保護(hù)的組件中轉(zhuǎn)移出去。綜合來說ESD指的范圍更廣,不僅是一種器件類型,更是一種事件、一門學(xué)科,而TVS管只是消除ESD影響的其中一種器件。 

當(dāng)然,我們今天的話題重點(diǎn)并不是講ESD器件和TVS管,硬件原理也不是我們擅長(zhǎng)的領(lǐng)域,熟悉我們的老鐵們應(yīng)該很清楚,我們主要還是聚焦在和PCB相關(guān)上,現(xiàn)在回到我們的正題上,PCB線路上并接了這個(gè)ESD器件,有時(shí)甚至和走線兼容設(shè)計(jì),如下圖所示,走線直接穿過ESD器件的焊盤,連接上相當(dāng)于ESD可有可無,但走線上有了器件,這樣對(duì)我們的PCB線路會(huì)不會(huì)有大的影響呢?

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氣氛都烘托到這個(gè)份上了,看來要說沒影響估計(jì)也沒人信了,先來說說我們看到的問題吧。

一個(gè)客戶在做完產(chǎn)品后測(cè)試發(fā)現(xiàn)他們的USB3信號(hào)眼圖很差,如下圖所示。

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眼圖測(cè)試顯示fail的結(jié)果,于是找到我們想幫忙看看到底是哪里出了問題,針對(duì)有實(shí)際產(chǎn)品的,我們的第一原則就是先測(cè)試阻抗摸個(gè)底,看看是否阻抗沒做好(線路和器件阻抗都有可能沒匹配好),于是我們測(cè)到了如下圖所示的阻抗曲線。

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 上圖最前面那根玫紅色的曲線是我們cable斷開什么都不接的情況,綠色曲線是去掉ESD器件(TVS管)和后端串聯(lián)電容的阻抗測(cè)試結(jié)果,黃色曲線是去掉后端串聯(lián)電容的阻抗測(cè)試結(jié)果,湖藍(lán)色(最后面那根)是有ESD器件和電容的阻抗測(cè)試結(jié)果??芍由螮SD器件后,ESD處線路的阻抗從96ohm跌到了82ohm,阻抗急劇減小,此處對(duì)信號(hào)來說會(huì)有一個(gè)比較大的反射,可能是造成眼圖變小的一個(gè)因素。但前面說過,如果沒有這個(gè)ESD器件,從功能上來說其實(shí)不會(huì)有什么影響,但對(duì)產(chǎn)品的使用壽命可能會(huì)有影響,因?yàn)閷?duì)于外部接口的器件來說,會(huì)受到ESD的影響,所以ESD器件的作用就有點(diǎn)像人有時(shí)候要買保險(xiǎn),車要買車險(xiǎn)是一樣的道理,不怕一萬,就怕萬一,電路也需要保護(hù)。在正常的情況下看不到它作用所在,一旦電路出現(xiàn)浪涌、脈沖,靜電時(shí),這時(shí)候所起的作用就非同小可了,它可保護(hù)整個(gè)電路體系免受浪涌、脈沖、靜電的破壞從而降低損失。所以一般在產(chǎn)品上市之前,國內(nèi)或國外檢測(cè)部門都要求進(jìn)行ESD靜電和其它浪涌沖擊的測(cè)試,確保一切合格才能上市,于是我們就可以看到這個(gè)在電路上沒有實(shí)際功能可有可無的ESD器件忽然變成了不可忽視的存在了。

有時(shí)我們?cè)诼愤厰偵腺I到一個(gè)很便宜的電子產(chǎn)品,一開始用起來一切正常,以為自己撿到寶了,但用不了幾天發(fā)現(xiàn)突然壞了,這個(gè)有可能就是因?yàn)檫@些產(chǎn)品沒有經(jīng)過上市前面的各種檢測(cè),號(hào)稱三無產(chǎn)品,也可能沒有加ESD器件,在使用過程中被靜電打壞了,所以說一分錢一分貨哈。

既然一定要這個(gè)ESD器件,那么一種ESD器件不行,換另一種是不是就可以了呢?于是客戶又找到了另一種ESD器件換上,接下來測(cè)試的阻抗結(jié)果如下圖所示。

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ESD器件最低點(diǎn)的阻抗居然到了90ohm,和USB3的標(biāo)準(zhǔn)阻抗是一樣的了,這樣阻抗反射的影響就小了很多,接下來再測(cè)試下眼圖看是不是會(huì)好點(diǎn),雖然后面沒有最終的眼圖測(cè)試結(jié)果圖片,但客戶最終反饋眼圖結(jié)果合格,至此事情得到完美的解決。

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— end —

本期提問

針對(duì)高速信號(hào),我們選擇ESD器件的時(shí)候特別需要在哪些方面要注意呢?