【導讀】為防止ESD（靜電放電）導致電子設備失靈或故障，需要采取適當的防靜電措施。對于線(xiàn)路應用，通常采用直接貼裝元件，如果未選擇合適的防靜電配件，正常運行期間的線(xiàn)路信號會(huì )受到干擾，其中包括各種具有高速和差分信號的通信線(xiàn)路，比如車(chē)載通信CAN（控制器局域網(wǎng)）、車(chē)載以太網(wǎng)等。靜電放電通常會(huì )對上述線(xiàn)路造成巨大影響，不僅可能導致通信質(zhì)量變差，嚴重時(shí)還會(huì )影響EMC性能。
為防止ESD（靜電放電）導致電子設備失靈或故障，需要采取適當的防靜電措施。對于線(xiàn)路應用，通常采用直接貼裝元件，如果未選擇合適的防靜電配件，正常運行期間的線(xiàn)路信號會(huì )受到干擾，其中包括各種具有高速和差分信號的通信線(xiàn)路，比如車(chē)載通信CAN（控制器局域網(wǎng)）、車(chē)載以太網(wǎng)等。靜電放電通常會(huì )對上述線(xiàn)路造成巨大影響，不僅可能導致通信質(zhì)量變差，嚴重時(shí)還會(huì )影響EMC性能。
本文介紹了不合適的防靜電元件會(huì )降低EMC性能的實(shí)際案例以及TDK的解決方案。
引言 - ESD預防措施以及對EMC性能的影響
ESD（靜電放電）會(huì )導致電子設備失靈或故障，因此需要采取合適的防靜電措施。通常使用壓敏電阻等防靜電元件來(lái)預防靜電，且將元件安裝在被保護的目標線(xiàn)路，比如集成電路(IC)和地線(xiàn) (GND) 之間，如圖1所示。ESD保護元件旨在當施加ESD等高電壓時(shí)將其轉換為低電阻形式并有效地將ESD引向GND，從而保護保護 IC 或類(lèi)似線(xiàn)路。鑒于線(xiàn)路上通常直接貼裝元件，若ESD保護元件選擇不當，即使正常運行期間的線(xiàn)路信號也會(huì )受到影響，其中包括各種具有高速和差分信號的通信線(xiàn)路，比如車(chē)載通信CAN（控制器局域網(wǎng)）、車(chē)載以太網(wǎng)等。靜電放電通常會(huì )對上述線(xiàn)路造成巨大影響，不僅可能導致通信質(zhì)量變差，嚴重時(shí)還會(huì )影響EMC性能。
圖1：使用ESD保護元件時(shí)的線(xiàn)路示例
實(shí)際案例
如前文所述，使用不合適的ESD保護元件會(huì )降低信號質(zhì)量和EMC性能。尤其是在如圖2所示的差分信號線(xiàn)路中，高電平和低電平側都使用了ESD 保護元件。此時(shí)，各自線(xiàn)路中使用的ESD 保護元件的靜電容量差會(huì )降低每條線(xiàn)路間的阻抗對稱(chēng)性，并降低模式轉換特性。此外，模式轉換特性變差又可能降低EMC性能。
下文基于實(shí)際評估數據，介紹了ESD 保護元件對混合模式 S 參數與CAN通信傳導EMI試驗（150Ω方法）的影響。
圖2：差分信號線(xiàn)路中ESD保護元件的安裝位置以及線(xiàn)路間的電容差
模式轉換特性 (Ssd12)
圖3為實(shí)際測量模式轉換特性 (Ssd12) 后的評估結果。這里的模式轉換特性并非通常情況下的4端口測量系統，而是如圖4所示的3端口模式轉換特性評估系統。與4端口相同，3端口也能用來(lái)評估模式轉換特性。其中縱軸表示模式轉換特性 (Ssd12)，橫軸表示頻率。圖中數據是ESD 保護元件線(xiàn)路之間的靜電容量差。Ssd12的數值越大，特性越差；即數值越大，就有越多的噪聲（共模）轉換為通信信號成分（差模），反之亦然。（詳見(jiàn)附錄）
由圖可知，ESD 保護元件線(xiàn)路間的靜電容量 (ΔC) 越大，Ssd12就越差。
作為參考，圖中還標出了CAN的共模扼流線(xiàn)圈（CMC）標準IEC62228-3中的Ssd12限制線(xiàn)。當ΔC≥2.7pF時(shí)，將無(wú)法滿(mǎn)足Class Ⅰ標準線(xiàn)的要求。
由此可知，ΔC越大，實(shí)際的模式轉換特性越差。
圖3：模式轉換特性 (Ssd12)
圖4：3端口測量的評估線(xiàn)路
傳導EMI試驗(150Ω方法)
接下來(lái)我們將介紹傳導EMI試驗（150Ω方法）的結果。在該示例試驗中，ESD 保護元件影響模式轉換特性后，EMC的實(shí)際性能也降低了。
傳導EMI試驗是一種通過(guò)EMI測試接收器直接測量信號線(xiàn)上傳導噪聲的試驗。在本測試中，評估板使用CAN，評估線(xiàn)路如圖5（傳導EMI試驗的評估線(xiàn)路圖）。
評估ESD 保護元件時(shí)，需要使用通用CAN壓敏電阻和TDK的CAN二合一的陣列壓敏電阻（AVRH16A2C270KT200NA8）。該AVRH16A2C270KT200NA8采用兩個(gè)單線(xiàn)壓敏電阻合二為一的封裝形式，僅單個(gè)貼片壓敏電阻就能保護一對差分信號線(xiàn)。二合一形式具有能控制線(xiàn)路間容量差等優(yōu)點(diǎn)，就結果來(lái)看，比單線(xiàn)用壓敏電阻具有更好的模式轉換特性。
圖5：傳導EMI試驗評估線(xiàn)路
實(shí)際評估結果如圖6所示。
縱軸表示噪音程度，橫軸表示頻率。橙色數據表示線(xiàn)路間的靜電容量差為13pF(ΔC=13pF)，此時(shí)單個(gè)壓敏電阻中的目錄規格值最差；藍色數據表示，AVRH16A2C270KT200NA8即使在最大容差情況下，線(xiàn)路間的容差值為1pF（ΔC=1pF）作為參考，圖中還標出了IEC61967-4中Class Ⅲ的標準線(xiàn)。
單個(gè)壓敏電阻從低頻越過(guò)標準線(xiàn)到達高頻，而陣列型壓敏電阻則保持在標準線(xiàn)以?xún)??？傮w而言，陣列型變阻器的噪聲被控制在較小水平。
因此，當壓敏電阻不工作時(shí)，較差的模式轉換特性可能會(huì )降低穩態(tài)條件下的EMC特性。
圖6：傳導EMI試驗結果（單片壓敏電阻和陣列型貼片壓敏電阻AVRH系列）
結論 - 選擇合適的ESD保護元件（貼片壓敏電阻）具有重要意義
本文介紹了不合適的ESD保護元件會(huì )影響模式轉換特性，并且也通過(guò)EMC實(shí)驗證實(shí)了這一現象。
試驗發(fā)現，ESD保護元件能預防靜電，但若選型不對，將對EMC性能造成不良影響。尤其是近年來(lái)，車(chē)載通信線(xiàn)路的模式轉換特性備受重視，ESD保護元件也應具有良好的模式轉換特性。
TDK車(chē)載通信壓敏電阻在設計上不僅考慮了ESD特性，還考慮了模式轉換特性。因此與一般的壓敏電阻相比，使用過(guò)程中對EMC性能的降低作用也較小。
若對ESD保護元件若有任何疑問(wèn)，歡迎隨時(shí)咨詢(xún)。
點(diǎn)擊下表中的型號可查看產(chǎn)品詳情。
表1：針對CAN FD的AVRH16A2C270KT200NA8規格表
表2：針對車(chē)載Ethernet的貼片壓敏電阻規格表
文章來(lái)源：TDK
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