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高速先生成員--周偉 我們看到越來(lái)越多的工業(yè)相機對外的接口信號如USB3/HDMI等在線(xiàn)路上會(huì )并（或串）一個(gè)ESD器件（或者TVS管），大家覺(jué)得針對這種高速接口的信號，ESD器件對信號會(huì )有什么影響嗎？另外針對這個(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(jué)呢？ 要搞清楚這個(gè)問(wèn)題，我們先來(lái)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(chēng)，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移。生活中的靜電是人們非常熟悉的一種自然現象，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(jué)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)品和設備的一種危害，造成電子產(chǎn)品和設備的功能紊亂甚至部件損壞�，F代半導體器件的規模越來(lái)越大，工作電壓越來(lái)越低，導致了半導體器件對外界電磁干擾敏感程度也大大提高。ESD對于電路引起的干擾、對元器件、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。ESD也是20世紀中期以來(lái)形成的以研究靜電的產(chǎn)生、危害及靜電防護等為主的學(xué)科，電子設備的ESD也開(kāi)始作為電磁兼容性測試的一項重要內容寫(xiě)入國家標準和國際標準，因此就產(chǎn)生ESD靜電保護這么一個(gè)元器件產(chǎn)品，國際上習慣將用于靜電防護的器材統稱(chēng)為ESD器件。 TVS的全稱(chēng)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，是一種限壓保護器件，作用與壓敏電阻很類(lèi)似。也是利用器件的非線(xiàn)性特性將過(guò)電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現對后級電路的保護。它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達數千瓦的浪涌功率；它的主要特點(diǎn)是在反向應用條件下，當承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，它能以10的負12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩�，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓鉗位于一個(gè)預定值，有效地保護電子線(xiàn)路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。當異常的高壓消失過(guò)后，電路進(jìn)入到正常工作狀態(tài)的時(shí)候，又恢復到高阻態(tài)。 TVS管的作用籠統來(lái)說(shuō)就是在系統中保護電子系統免受高能瞬態(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），起到防護效果，其具體作用在于：當電路正常工作時(shí)，它處于截止狀態(tài)（高阻態(tài)），不影響線(xiàn)路正常工作, 在規定的反向應用條件下，當承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過(guò)，并將電壓鉗制到預定水平，從而有效地保護電子線(xiàn)路中的精密元器件免受損壞。 典型的 ESD 保護電路由與受保護組件或電路并聯(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的組件中轉移出去。綜合來(lái)說(shuō)ESD指的范圍更廣，不僅是一種器件類(lèi)型，更是一種事件、一門(mén)學(xué)科，而TVS管只是消除ESD影響的其中一種器件。 當然，我們今天的話(huà)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(cháng)的領(lǐng)域，熟悉我們的老鐵們應該很清楚，我們主要還是聚焦在和PCB相關(guān)上，現在回到我們的正題上，PCB線(xiàn)路上并接了這個(gè)ESD器件，有時(shí)甚至和走線(xiàn)兼容設計，如下圖所示，走線(xiàn)直接穿過(guò)ESD器件的焊盤(pán)，連接上相當于ESD可有可無(wú)，但走線(xiàn)上有了器件，這樣對我們的PCB線(xiàn)路會(huì )不會(huì )有大的影響呢？ 氣氛都烘托到這個(gè)份上了，看來(lái)要說(shuō)沒(méi)影響估計也沒(méi)人信了，先來(lái)說(shuō)說(shuō)我們看到的問(wèn)題吧。 一個(gè)客戶(hù)在做完產(chǎn)品后測試發(fā)現他們的USB3信號眼圖很差，如下圖所示。 眼圖測試顯示fail的結果，于是找到我們想幫忙看看到底是哪里出了問(wèn)題，針對有實(shí)際產(chǎn)品的，我們的第一原則就是先測試阻抗摸個(gè)底，看看是否阻抗沒(méi)做好（線(xiàn)路和器件阻抗都有可能沒(méi)匹配好），于是我們測到了如下圖所示的阻抗曲線(xiàn)。 上圖最前面那根玫紅色的曲線(xiàn)是我們cable斷開(kāi)什么都不接的情況，綠色曲線(xiàn)是去掉ESD器件（TVS管）和后端串聯(lián)電容的阻抗測試結果，黃色曲線(xiàn)是去掉后端串聯(lián)電容的阻抗測試結果，湖藍色（最后面那根）是有ESD器件和電容的阻抗測試結果�？芍由螮SD器件后，ESD處線(xiàn)路的阻抗從96ohm跌到了82ohm，阻抗急劇減小，此處對信號來(lái)說(shuō)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(shuō)過(guò)，如果沒(méi)有這個(gè)ESD器件，從功能上來(lái)說(shuō)其實(shí)不會(huì )有什么影響，但對產(chǎn)品的使用壽命可能會(huì )有影響，因為對于外部接口的器件來(lái)說(shuō)，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(mǎi)保險，車(chē)要買(mǎi)車(chē)險是一樣的道理，不怕一萬(wàn)，就怕萬(wàn)一，電路也需要保護。在正常的情況下看不到它作用所在，一旦電路出現浪涌、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，國內或國外檢測部門(mén)都要求進(jìn)行ESD靜電和其它浪涌沖擊的測試，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(méi)有實(shí)際功能可有可無(wú)的ESD器件忽然變成了不可忽視的存在了。 有時(shí)我們在路邊攤上買(mǎi)到一個(gè)很便宜的電子產(chǎn)品，一開(kāi)始用起來(lái)一切正常，以為自己撿到寶了，但用不了幾天發(fā)現突然壞了，這個(gè)有可能就是因為這些產(chǎn)品沒(méi)有經(jīng)過(guò)上市前面的各種檢測，號稱(chēng)三無(wú)產(chǎn)品，也可能沒(méi)有加ESD器件，在使用過(guò)程中被靜電打壞了，所以說(shuō)一分錢(qián)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(hù)又找到了另一種ESD器件換上，接下來(lái)測試的阻抗結果如下圖所示。 ESD器件最低點(diǎn)的阻抗居然到了90ohm，和USB3的標準阻抗是一樣的了，這樣阻抗反射的影響就小了很多，接下來(lái)再測試下眼圖看是不是會(huì )好點(diǎn)，雖然后面沒(méi)有最終的眼圖測試結果圖片，但客戶(hù)最終反饋眼圖結果合格，至此事情得到完美的解決。 — end — 本期提問(wèn) 針對高速信號，我們選擇ESD器件的時(shí)候特別需要在哪些方面要注意呢？ |
