RJ-45金属壳静电干扰浅析
现代半导体元件的内部绝缘常常会在几十伏电压下击穿并且永久短路。这是一个很严重的ESD问题，日常生活中这个问题是普遍存在的，比如我们用手去触摸电路板上的走线、元件引脚、设备的I/O引脚等，手上的静电都可能会进入电子元件或电子电路中。如何对芯片及接口进行静电防护，成为工程师朋友们热点讨论的话题，瞬雷在致力于为广大工程师朋友们提供优质器件的同时也提供一些保护方案来供大家参考和学习。下面以一个产品为例和大家分析一下。某一通讯转换器，其中一端的通讯线连接器使用金属外壳的RJ45连接器，进行IEC61000-4-2标准的静电放电测试时，需要对RJ45的头的金属外壳进行接触放电，放电等级根据该产品的产品标准为±6KV。当在该RJ45头上进行接触放电测试时，发现该转换器通信出错，具体表现是传输数据出错及复位。该产品的部分原理图为下图所示在检查PCB后，发现原理图中U4的15,16,19脚与U6的7,2脚的互联信号线有较长的传输距离，而且由于PCB是多层板，因此该线在表层走线，试验中，在这几条信号线上分别并联上我司小型TVS:TUSD03FB（经过测试，该器件的容值对信号的影响在接受范围内）后，静电放电测试顺利通过，没有出错和复位。原因分析静电放电时通常以两种方式产生EMC问题，即传导方式和辐射干扰方式：A传导耦合之ESD：静电放电电流直接进入电路中，导致导体上产生的很高的电压脉冲（U=L*di/dt），这些导体可能是电源或地，信号线，电压脉冲将进入与这些网络相连的每一个元器件产生误操作，并且容易破坏半导体元件。B辐射耦合之ESD：当静电放电时，产生的火花电压会产生辐射磁场和电场，磁场能够在附近电路的各个信号环路中感应出噪声电压，由于在很短时间内（<1ns）产生了很大的静电电流（30A以上），所以在信号环路中产生的噪声电压可能会超过逻辑元件的阀值电平，引起元件的误触发。 CESD电弧辐射的电磁场会耦合到长的信号线上，这些信号线起到了接收天线的作用。在此产生中当向RJ45的金属外壳进行接触放电时，RJ45通过接地线接至参考地，接触放电时会产生一个瞬态的大放电电流，该电流将在附近产生一个较大的电磁场，如果此时暴露在该电磁场中的器件或信号比较敏感，系统就会出现不正常现象。而此产品中被干扰的信号线距RJ45上的静电放电点约3cm的距离，可见，在此案例中的问题主要是以上几种静电放电对于设备影响中的最后一种，即电弧辐射的电磁场会耦合到长的信号线上，这些信号线起到了接收天线的作用。并联我司小型TVS:TUSD03FB后，一部分耦合到的能量被TVS吸收，从而保护了器件接收的信号。理论上也可能是A方式影响了内部电路，本案例涉及的产品设有接地端子，ESD测试时产品接地，接地端子与RJ45连接器的外壳及内部电路的工地都是相连的，如图所示，图中C表示放电点到接地端子的接地互连线与电路工作地之间的寄生分布电容，假设为2pF；UAB表示静电放电电流流过地线时在A,B两点之间产生的压降，由于本产品结构特性的限制，以及测试时本身接地线（约1m）所固有的阻抗，使A，B两点间的接地阻抗很难保证做到零。 图示1假设经过接地装置的静电放电的峰值电流为30A（实际上应该大于该值，路径由带箭头线表示），再假设接地路径A与B之间存在10nH的寄生电感，那么 U =L*di/dt=10*10-9*30/1*10-9=300V式中，dt为静电放电电流的上升沿时间1nS。当UAB存在300V的峰值电压时，流过工作地的电流（路径由带箭头线表示）为I=C*dv/dt=2*10-12 *300/1*10-9=0.6A当有0.6A以上的电流流过工作地时，如果工作地平面并不是很完整，存在一定的阻抗，如存在过孔造成的缝隙，如下图所示，假设存在1cm长的缝隙，则大概有10nH的寄生电感L1（估计值可查相关资料） 图示2此时寄生电感两端的压降为U=L1*di/dt=10*10-9*0.6/1*10-9=6V6V的电压对于5V供电的TTL电平器件来说肯定造成误动作，而此电压也仅是较低的估计值，实际情况下会产生更大的压降。在信号与地之间并联小型TVS:TUSD03FB后，TVS将高频噪声在信号与地之间形成短路，从而保护了器件接受的信号，如下图所示 图示3解决办法：在信号线上并联小型TVS:TUSD03FB，并在PCB上将此TVS放置于靠近芯片的信号引脚处。建议：1对于长距离传输并且离静电放电点在空间距离上比较近的敏感信号线，建议进行TVS对地保护。2产品结构设计时，要避免干扰共模电流流过电路板的工作地平面，如果不能避免共模电流流过，那么要保证工作地平面尽量完整，尽量减少过孔，没有缝隙的完整地平面只有3-5mΩ电阻。3.不让ESD瞬态放电发生，不但可以防止瞬态放电电压进入敏感电路，而且也没有电场和磁场的突发产生，介质绝缘也是抑制ESD的主要保护方法。特别备注：因为静电解决属于一个系统问题，所以不是百分百照搬就有效，希望这篇文章可以给到一些思路，当然也十分欢迎广大工程师朋友有问题可以找我们，我们在北京上海深圳均有实验室！
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