物联网互连接口的系统防静电方案
　　胡光亮
　　（深圳踏歌电子科技有限公司 上海 200114）
　　摘要：针对物联网产品在生产、使用过程中遇到的静电威胁，列举了各种典型接口的防雷防静电保护方案。
　　关键词：物联网 接口保护 防静电 ESD

　　1.物联网产品防静电的必要性
　　作为继互联网、移动互联网之后的又一次技术革命浪潮，物联网（Internet of Things）无疑已经成科技产业界的必争之地。
　　未来的家中智能电器，给你提供新鲜、时令食品的建议以及如何烹饪饮食；智能家居，自动根据环境光条件，相应地调整亮度或改变他们的颜色改变心情；智能氛围控制，通过学习习惯居民最有效地使用能源加热或冷却；智能穿戴，可以自动根据心情提供建议服装，读取身体健康参数，提供建议健身活动与饮食来帮助人们获得更好的健康指标；智能车辆和交通系统，提高车辆行驶效率和舒适性，使公路旅行更加安全。
　　物联网产品提供满足各种应用新功能，数字化各种环境监测，包括我们自身的监测。然而，正是这种通信的交互、或者人和设备之间的频繁沟通无处不在，在设备通信的同时，信息通道同时也打开了一扇电磁干扰的门，其中最普通的电磁干扰就是静电的威胁。任何时候,电缆与连接器接触,或一个人接触一个电子系统,有一个电荷转移的可能性，随之就会产生静电放电过程。

　　2.静电放电的测试标准
　　图1：静电放电曲线
　　①反向断态电压(截止电压)VRWM与反向漏电流IR：反向断态电压(截止电压)VRWM表示TVS管不导通的最高电压，在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。
　　②击穿电压VBR：TVS/ESD通过规定的测试电流IT时的电压，这是表示TVS管导通的标志电压。
　　③脉冲峰值电流IPP：TVS/ESD允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流（8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右，8/20μs是定义IPP脉冲波电流，请参考下图3），超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中，击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小。
　　④最大箝位电压VC：TVS/ESD流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。
　　⑤正向导通电压VF：TVS/ESD通过正向导通电流IF的压降。
　　图3：浪涌8/20μS电流波形

　　了解了TVS/ESD的特性曲线，就清楚了TVS/ESD的任务就是发生ESD事件时，将输入电压维持在安全过压范围之内，而在正常工作时不影响系统性能。TVS/ESD被放置于邻近ESD事件可能进入系统的位置，旨在限制敏感节点处的电压，并将电流引至不太敏感的节点，如地电平。为实现这个功能，ESD二极管必须在正常工作电压范围内拥有高阻抗，在正常工作电压范围之外拥有低阻抗，这样才能将电流直接从敏感节点引开，并限制瞬态电压，所以保证了系统性防静电的可靠性。

　　4.防静电电路的设计
　　4.1在电路中接口处并联ESD保护器件
　　如下图4所示，最有效的办法是在接口的入口处并联ESD二极管，由于ESD的钳位特性，在静电放电时，静电尖峰电压被ESD二极管钳压在规定范围内，确保了后部芯片的稳定工作。
　　图4：ESD二极管工作原理

　　4.2 在电路中选择合适的ESD保护器件
　　选择ESD静电保护器件注意：
　　箝制电压不要超过受保护器件的最大承受电压，电路电压不超过保护器件工作电压，低电容值、漏电流尽可能的减少干扰及损耗。
　　4.3 ESD保护器件在电路中的位置及地线设置
　　（1）静电保护器件尽量安装在最接近静电输入的地方，远离被保护器件；
　　（2）静电保护器件一定接的大地线，不是数字地线；
　　（3）回地的线路尽量的短，静电保护器件与被保护线路之间的距离尽量的短；
　　（4）尽量避免被保护与未被保护线路并排走线。

　　5.物联网互联接口的静电保护案例
　　由于物联网产品众多，各种传感采集信号多样，数据处理、传输的主要芯片也各不相同，目前各公司已经开发了针对各种通信接口的多路保护器件，也可以根据布板的需求选择单路的产品。
　　5.1 物联网接口速率,寄生电容和相应ESD保护器件表
　　物联网基于各种不同速率的通信接口对电路上寄生电容的不同要求，而ESD二极管自身的寄生电容又不可避免，所以在针对不同的通信接口选择ESD时，产品的寄生电容值需要特别重视，以下列表为整理的各种通信接口速率及对ESD二极管电容的限制及针对通信接口的保护方案所用型号。

序号	接口名称	传输速度（Mbit/S）	对电路寄生电容要求（pf）	推荐保护器件
				一级保护	二级保护	三级保护
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	快充电源接口	-	-			ESD1285P
7	100M网络接口	100	<5	3R090-5S	HL60-025	SLVU2.8-4/SRV05-4
8	1000M网络接口	1000	<1	3R090-5S	HL60-025	LC3311CCW
9	10000M网络接口	10000	<1	3R090-5S	HL60-025	ULC0542T
10	POE网络接口	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视频接口	5400	<1			ULC0524P
15	VGA模拟视频接口	162	<1			ULC0524P
16	DVI数字视频接口	3960	<1			ULC0544M
17	Audio音频接口	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总线接口	1	<50	3R090-5S	SMD1812P050TF/24	SMC24 SD24C
28	LIN总线接口	1	<50	3R090-5S	SMD1812P050TF	SMC24 SD24C
29	xDSL接口	2	<100			SR70
30	RF /GPS天线接口	1000	<1	SMD4532-090		ULC0511CDN
31	GPIO接口	5	<100			SDA05W5 SD05C
32	5V直流电源接口	-	<1000			SMBJ5.0CA SMCJ5.0CA
33	12V直流电源接口	-	<1000			SMBJ12CA SMCJ12CA
34	48V电源接口	-	<1000			SMCJ48CA
35	12V汽车电源口	-	<1000			SMCJ22CA SM8S22A
36	24V汽车电源口	-	<1000			SMCJ36CA SM8S36CA
37	220V交流电源接口	-	<1000	2R600-8L	20D561KJ

　　表格所列的各种物联网接口，踏歌有对应接口的静电保护方案图，方便技术参考设计，如有需要请随时联系作者。

　　6.物联网接口静电保护发展方向
　　物联网互联通信纵横交错，帮助工业4.0和工业5.0落地生根，追求更快、更稳、更简单。典型互连接口和IC不断推陈出新，体积追求更小，线路更多更精密。防静电ESD追随接口IC的进化，做着相应匹配，ESD的体积将变得更小，电容更低，抗浪涌能力更强，线路更灵活。

　　参考文献
　　[1] PCB中抗ESD的设计 作者：蒋爱如
　　[2]电子通信产品的ESD防护设计研究 作者：王媛媛  张尧
　　[3]电磁兼容百问百答 作者：徐强华
　　作者简介：胡光亮，高级工程师，从事ESD元件的研发及电路防静电的设计！

 

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