【導(dǎo)讀】上海雷卯電子工程師在負(fù)責(zé)電力行業(yè)的智能采集終端項(xiàng)目升級(jí)時(shí)，即根據(jù)客戶的新需求和國網(wǎng)、南網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。在做原產(chǎn)品的靜電（ESD）抗擾度4級(jí)試驗(yàn)，即接觸放電±8kV時(shí)，發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)會(huì)中斷，直到ESD干擾消除后才能恢復(fù)正常，如圖1所示，這種現(xiàn)象不滿足國網(wǎng)、南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中“實(shí)驗(yàn)過程中，以太網(wǎng)偶爾中斷，但能自行恢復(fù)”的規(guī)定，CLASS B的要求。
圖1：以太網(wǎng)中斷不能重連
有ESD設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人一般都知道靜電干擾途徑主要為地傳導(dǎo)、信號(hào)線+電源線+I/O線傳輸和空間輻射三種。針對(duì)以上三種干擾改進(jìn)ESD設(shè)計(jì)的方法如下：
1）軟件復(fù)位設(shè)計(jì)。增加軟件看門狗，主循環(huán)壞死就reset；加狀態(tài)檢測(cè)判斷寄存器/IO口狀態(tài)是否正確，不對(duì)就reset。
2）增加保護(hù)目標(biāo)ESD免疫力，即增強(qiáng)IC本身ESD防護(hù)能力，比如內(nèi)置集成ESD。
3）降低減弱ESD放電對(duì)保護(hù)目標(biāo)的沖擊強(qiáng)度，比如在IC外圍增加TVS管和防靜電管等ESD防護(hù)器件，割地處理，對(duì)地并電容，及縮短走線距離等。
首先以太網(wǎng)芯片屬于公司大批量使用的通用芯片，不應(yīng)替代；其次軟件看門狗/reset都已經(jīng)做了處理，所以方法1和2都不可選，只能選擇方法3。查看老版原理圖發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)并未對(duì)以太網(wǎng)模塊做所需的防ESD處理，只是在數(shù)字電源VCC和模擬電源AVCC上加了TVS管，而關(guān)鍵的差分信號(hào)TX+/TX-和RX+/RX-并沒有設(shè)計(jì)ESD防護(hù)，所以需在差分信號(hào)端增加4個(gè)TVS管。
TVS管選型需要考慮以下因素：
1）大批量供貨需考慮成本，一般而言，TVS管陣列比增加4個(gè)TVS管便宜；
2）封裝小，節(jié)省Layout空間，方便布局，TVS管陣列會(huì)比4個(gè)TVS管的體積小很多；
3）ESD防護(hù)能力，必須大于國網(wǎng)、南網(wǎng)靜電抗擾度4級(jí)，即接觸放電±8kV，空氣放電±15kV；
4）負(fù)載電容越低越好，能快速吸收ESD干擾。
經(jīng)過查詢資料選用
1）封裝極小，1.6mm*1.2mm，封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示；
2）超低負(fù)載電容，0.85pF，可將快速信號(hào)衰減程度降至最低水平；
3）ESD防護(hù)能力高，接觸放電±15kV，空氣放電±15kV，遠(yuǎn)高于國網(wǎng)、南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；
4）極低的動(dòng)態(tài)電阻，提供超低箝位電壓；超低漏電流，3.3V時(shí)最大1nA電流；
5）以太網(wǎng)電源AVCC設(shè)計(jì)上能節(jié)省一個(gè)TVS管；
6）價(jià)格便宜。
圖2：LEIDITECH ULC0504T6封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
以太網(wǎng)防靜電部分設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示，L2、C59、C60組成π型濾波網(wǎng)絡(luò)，C61為去耦電容，R74-R77為以太網(wǎng)傳輸信號(hào)的上拉電阻，V10為TVS管，D9為TVS管陣列。
圖3：以太網(wǎng)防靜電部分電路
增加TVS管陣列ULC0504T6后，以太網(wǎng)模塊在Layout設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：
1）ULC0504T6、濾波電容等ESD防護(hù)器件盡量和以太網(wǎng)芯片放在同一層，且盡量在同一層將它們的地pin與以太網(wǎng)芯片的地pin，這樣能減少環(huán)路面積，讓所包含的場(chǎng)流量減小，其感應(yīng)電流減小。
2）ULC0504T6、濾波電容等ESD防護(hù)器件要靠近以太網(wǎng)芯片放置，差分信號(hào)和電源的走線先經(jīng)過ESD器件pin再到以太網(wǎng)芯片pin；
3）要盡量保證地平面連續(xù)，該打過孔的地方要打過孔，以增加回流路徑；
4）以太網(wǎng)模塊不要靠近整個(gè)板件的邊沿，盡量往中間放，這樣能增強(qiáng)水平和垂直耦合靜電抗擾度能力。
具體PCB布局如圖4所示，由于以太網(wǎng)差分信號(hào)從下面上來，所以ULC0504T6放在左下角，這樣保證了信號(hào)線先經(jīng)過TVS管陣列再到以太網(wǎng)芯片pin上。
圖4：以太網(wǎng)layout設(shè)計(jì)
改進(jìn)后的設(shè)計(jì)，靜電實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過程中偶爾斷一次，但能立刻恢復(fù)，滿足了國網(wǎng)、南網(wǎng)靜電抗擾度4級(jí)實(shí)驗(yàn)要求。
圖5：改進(jìn)設(shè)計(jì)后的靜電實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)
推薦閱讀：
