【導(dǎo)讀】為防止ESD（靜電放電）導(dǎo)致電子設(shè)備失靈或故障，需要采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施。對于線路應(yīng)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(yùn)行期間的線路信號會受到干擾，其中包括各種具有高速和差分信號的通信線路，比如車載通信CAN（控制器局域網(wǎng)）、車載以太網(wǎng)等。靜電放電通常會對上述線路造成巨大影響，不僅可能導(dǎo)致通信質(zhì)量變差，嚴(yán)重時(shí)還會影響EMC性能。
為防止ESD（靜電放電）導(dǎo)致電子設(shè)備失靈或故障，需要采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施。對于線路應(yīng)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(yùn)行期間的線路信號會受到干擾，其中包括各種具有高速和差分信號的通信線路，比如車載通信CAN（控制器局域網(wǎng)）、車載以太網(wǎng)等。靜電放電通常會對上述線路造成巨大影響，不僅可能導(dǎo)致通信質(zhì)量變差，嚴(yán)重時(shí)還會影響EMC性能。
本文介紹了不合適的防靜電元件會降低EMC性能的實(shí)際案例以及TDK的解決方案。
引言 - ESD預(yù)防措施以及對EMC性能的影響
ESD（靜電放電）會導(dǎo)致電子設(shè)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預(yù)防靜電，且將元件安裝在被保護(hù)的目標(biāo)線路，比如集成電路(IC)和地線 (GND) 之間，如圖1所示。ESD保護(hù)元件旨在當(dāng)施加ESD等高電壓時(shí)將其轉(zhuǎn)換為低電阻形式并有效地將ESD引向GND，從而保護(hù)保護(hù) IC 或類似線路。鑒于線路上通常直接貼裝元件，若ESD保護(hù)元件選擇不當(dāng)，即使正常運(yùn)行期間的線路信號也會受到影響，其中包括各種具有高速和差分信號的通信線路，比如車載通信CAN（控制器局域網(wǎng)）、車載以太網(wǎng)等。靜電放電通常會對上述線路造成巨大影響，不僅可能導(dǎo)致通信質(zhì)量變差，嚴(yán)重時(shí)還會影響EMC性能。
圖1：使用ESD保護(hù)元件時(shí)的線路示例
實(shí)際案例
如前文所述，使用不合適的ESD保護(hù)元件會降低信號質(zhì)量和EMC性能。尤其是在如圖2所示的差分信號線路中，高電平和低電平側(cè)都使用了ESD 保護(hù)元件。此時(shí)，各自線路中使用的ESD 保護(hù)元件的靜電容量差會降低每條線路間的阻抗對稱性，并降低模式轉(zhuǎn)換特性。此外，模式轉(zhuǎn)換特性變差又可能降低EMC性能。
下文基于實(shí)際評估數(shù)據(jù)，介紹了ESD 保護(hù)元件對混合模式 S 參數(shù)與CAN通信傳導(dǎo)EMI試驗(yàn)（150Ω方法）的影響。
圖2：差分信號線路中ESD保護(hù)元件的安裝位置以及線路間的電容差
模式轉(zhuǎn)換特性 (Ssd12)
圖3為實(shí)際測量模式轉(zhuǎn)換特性 (Ssd12) 后的評估結(jié)果。這里的模式轉(zhuǎn)換特性并非通常情況下的4端口測量系統(tǒng)，而是如圖4所示的3端口模式轉(zhuǎn)換特性評估系統(tǒng)。與4端口相同，3端口也能用來評估模式轉(zhuǎn)換特性。其中縱軸表示模式轉(zhuǎn)換特性 (Ssd12)，橫軸表示頻率。圖中數(shù)據(jù)是ESD 保護(hù)元件線路之間的靜電容量差。Ssd12的數(shù)值越大，特性越差；即數(shù)值越大，就有越多的噪聲（共模）轉(zhuǎn)換為通信信號成分（差模），反之亦然。（詳見附錄）
由圖可知，ESD 保護(hù)元件線路間的靜電容量 (ΔC) 越大，Ssd12就越差。
作為參考，圖中還標(biāo)出了CAN的共模扼流線圈（CMC）標(biāo)準(zhǔn)IEC62228-3中的Ssd12限制線。當(dāng)ΔC≥2.7pF時(shí)，將無法滿足Class Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)線的要求。
由此可知，ΔC越大，實(shí)際的模式轉(zhuǎn)換特性越差。
圖3：模式轉(zhuǎn)換特性 (Ssd12)
圖4：3端口測量的評估線路
傳導(dǎo)EMI試驗(yàn)(150Ω方法)
接下來我們將介紹傳導(dǎo)EMI試驗(yàn)（150Ω方法）的結(jié)果。在該示例試驗(yàn)中，ESD 保護(hù)元件影響模式轉(zhuǎn)換特性后，EMC的實(shí)際性能也降低了。
傳導(dǎo)EMI試驗(yàn)是一種通過EMI測試接收器直接測量信號線上傳導(dǎo)噪聲的試驗(yàn)。在本測試中，評估板使用CAN，評估線路如圖5（傳導(dǎo)EMI試驗(yàn)的評估線路圖）。
評估ESD 保護(hù)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(hù)一對差分信號線。二合一形式具有能控制線路間容量差等優(yōu)點(diǎn)，就結(jié)果來看，比單線用壓敏電阻具有更好的模式轉(zhuǎn)換特性。
圖5：傳導(dǎo)EMI試驗(yàn)評估線路
實(shí)際評估結(jié)果如圖6所示。
縱軸表示噪音程度，橫軸表示頻率。橙色數(shù)據(jù)表示線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(guī)格值最差；藍(lán)色數(shù)據(jù)表示，AVRH16A2C270KT200NA8即使在最大容差情況下，線路間的容差值為1pF（ΔC=1pF）作為參考，圖中還標(biāo)出了IEC61967-4中Class Ⅲ的標(biāo)準(zhǔn)線。
單個(gè)壓敏電阻從低頻越過標(biāo)準(zhǔn)線到達(dá)高頻，而陣列型壓敏電阻則保持在標(biāo)準(zhǔn)線以內(nèi)。總體而言，陣列型變阻器的噪聲被控制在較小水平。
因此，當(dāng)壓敏電阻不工作時(shí)，較差的模式轉(zhuǎn)換特性可能會降低穩(wěn)態(tài)條件下的EMC特性。
圖6：傳導(dǎo)EMI試驗(yàn)結(jié)果（單片壓敏電阻和陣列型貼片壓敏電阻AVRH系列）
結(jié)論 - 選擇合適的ESD保護(hù)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(hù)元件會影響模式轉(zhuǎn)換特性，并且也通過EMC實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一現(xiàn)象。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ESD保護(hù)元件能預(yù)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，車載通信線路的模式轉(zhuǎn)換特性備受重視，ESD保護(hù)元件也應(yīng)具有良好的模式轉(zhuǎn)換特性。
TDK車載通信壓敏電阻在設(shè)計(jì)上不僅考慮了ESD特性，還考慮了模式轉(zhuǎn)換特性。因此與一般的壓敏電阻相比，使用過程中對EMC性能的降低作用也較小。
若對ESD保護(hù)元件若有任何疑問，歡迎隨時(shí)咨詢。
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(guī)格表
表2：針對車載Ethernet的貼片壓敏電阻規(guī)格表
文章來源：TDK
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