ESD器件對(duì)高速信號(hào)有什么影響嗎

高速先生成員--周偉

我們看到越來(lái)越多的工業(yè)相機(jī)對(duì)外的接口信號(hào)如USB3/HDMI等在線路上會(huì)并（或串）一個(gè)ESD器件（或者TVS管），大家覺(jué)得針對(duì)這種高速接口的信號(hào)，ESD器件對(duì)信號(hào)會(huì)有什么影響嗎？另外針對(duì)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，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(zhuǎn)移。生活中的靜電是人們非常熟悉的一種自然現(xiàn)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(shè)備的一種危害，造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至部件損壞。現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來(lái)越大，工作電壓越來(lái)越低，導(dǎo)致了半導(dǎo)體器件對(duì)外界電磁干擾敏感程度也大大提高。ESD對(duì)于電路引起的干擾、對(duì)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(jì)中期以來(lái)形成的以研究靜電的產(chǎn)生、危害及靜電防護(hù)等為主的學(xué)科，電子設(shè)備的ESD也開(kāi)始作為電磁兼容性測(cè)試的一項(xiàng)重要內(nèi)容寫(xiě)入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此就產(chǎn)生ESD靜電保護(hù)這么一個(gè)元器件產(chǎn)品，國(guó)際上習(xí)慣將用于靜電防護(hù)的器材統(tǒng)稱為ESD器件。

TVS的全稱是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(hù)器件，作用與壓敏電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過(guò)電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率；它的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，它能以10的負(fù)12次方秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓鉗位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。當(dāng)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(fù)到高阻態(tài)。

TVS管的作用籠統(tǒng)來(lái)說(shuō)就是在系統(tǒng)中保護(hù)電子系統(tǒng)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(hù)效果，其具體作用在于：當(dāng)電路正常工作時(shí)，它處于截止?fàn)顟B(tài)（高阻態(tài)），不影響線路正常工作, 在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)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(dǎo)通值，允許大電流通過(guò)，并將電壓鉗制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受損壞。

典型的 ESD 保護(hù)電路由與受保護(hù)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(hù)的組件中轉(zhuǎn)移出去。綜合來(lái)說(shuō)ESD指的范圍更廣，不僅是一種器件類型，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(dāng)然，我們今天的話題重點(diǎn)并不是講ESD器件和TVS管，硬件原理也不是我們擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，熟悉我們的老鐵們應(yīng)該很清楚，我們主要還是聚焦在和PCB相關(guān)上，現(xiàn)在回到我們的正題上，PCB線路上并接了這個(gè)ESD器件，有時(shí)甚至和走線兼容設(shè)計(jì)，如下圖所示，走線直接穿過(guò)ESD器件的焊盤(pán)，連接上相當(dāng)于ESD可有可無(wú)，但走線上有了器件，這樣對(duì)我們的PCB線路會(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(jì)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)客戶在做完產(chǎn)品后測(cè)試發(fā)現(xiàn)他們的USB3信號(hào)眼圖很差，如下圖所示。

眼圖測(cè)試顯示fail的結(jié)果，于是找到我們想幫忙看看到底是哪里出了問(wèn)題，針對(duì)有實(shí)際產(chǎn)品的，我們的第一原則就是先測(cè)試阻抗摸個(gè)底，看看是否阻抗沒(méi)做好（線路和器件阻抗都有可能沒(méi)匹配好），于是我們測(cè)到了如下圖所示的阻抗曲線。

上圖最前面那根玫紅色的曲線是我們cable斷開(kāi)什么都不接的情況，綠色曲線是去掉ESD器件（TVS管）和后端串聯(lián)電容的阻抗測(cè)試結(jié)果，黃色曲線是去掉后端串聯(lián)電容的阻抗測(cè)試結(jié)果，湖藍(lán)色（最后面那根）是有ESD器件和電容的阻抗測(cè)試結(jié)果?？芍由螮SD器件后，ESD處線路的阻抗從96ohm跌到了82ohm，阻抗急劇減小，此處對(duì)信號(hào)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(duì)產(chǎn)品的使用壽命可能會(huì)有影響，因?yàn)閷?duì)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)候要買保險(xiǎn)，車要買車險(xiǎn)是一樣的道理，不怕一萬(wàn)，就怕萬(wàn)一，電路也需要保護(hù)。在正常的情況下看不到它作用所在，一旦電路出現(xiàn)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(hù)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(guó)內(nèi)或國(guó)外檢測(cè)部門(mén)都要求進(jìn)行ESD靜電和其它浪涌沖擊的測(cè)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?cè)诼愤厰偵腺I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(xiàn)突然壞了，這個(gè)有可能就是因?yàn)檫@些產(chǎn)品沒(méi)有經(jīng)過(guò)上市前面的各種檢測(cè)，號(hào)稱三無(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？于是客戶又找到了另一種ESD器件換上，接下來(lái)測(cè)試的阻抗結(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(cè)試結(jié)果圖片，但客戶最終反饋眼圖結(jié)果合格，至此事情得到完美的解決。

— end —

本期提問(wèn)

針對(duì)高速信號(hào)，我們選擇ESD器件的時(shí)候特別需要在哪些方面要注意呢？