【導讀】為防止ESD（靜電放電）導致電子設備失靈或故障，需要采取適當的防靜電措施。對于線路應用，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）、車載以太網等。靜電放電通常會對上述線路造成巨大影響，不僅可能導致通信質量變差，嚴重時還會影響EMC性能。
為防止ESD（靜電放電）導致電子設備失靈或故障，需要采取適當的防靜電措施。對于線路應用，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）、車載以太網等。靜電放電通常會對上述線路造成巨大影響，不僅可能導致通信質量變差，嚴重時還會影響EMC性能。
本文介紹了不合適的防靜電元件會降低EMC性能的實際案例以及TDK的解決方案。
引言 - ESD預防措施以及對EMC性能的影響
ESD（靜電放電）會導致電子設備失靈或故障，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防靜電，且將元件安裝在被保護的目標線路，比如集成電路(IC)和地線 (GND) 之間，如圖1所示。ESD保護元件旨在當施加ESD等高電壓時將其轉換為低電阻形式并有效地將ESD引向GND，從而保護保護 IC 或類似線路。鑒于線路上通常直接貼裝元件，若ESD保護元件選擇不當，即使正常運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）、車載以太網等。靜電放電通常會對上述線路造成巨大影響，不僅可能導致通信質量變差，嚴重時還會影響EMC性能。
圖1：使用ESD保護元件時的線路示例
實際案例
如前文所述，使用不合適的ESD保護元件會降低信號質量和EMC性能。尤其是在如圖2所示的差分信號線路中，高電平和低電平側都使用了ESD 保護元件。此時，各自線路中使用的ESD 保護元件的靜電容量差會降低每條線路間的阻抗對稱性，并降低模式轉換特性。此外，模式轉換特性變差又可能降低EMC性能。
下文基于實際評估數據，介紹了ESD 保護元件對混合模式 S 參數與CAN通信傳導EMI試驗（150Ω方法）的影響。
圖2：差分信號線路中ESD保護元件的安裝位置以及線路間的電容差
模式轉換特性 (Ssd12)
圖3為實際測量模式轉換特性 (Ssd12) 后的評估結果。這里的模式轉換特性并非通常情況下的4端口測量系統，而是如圖4所示的3端口模式轉換特性評估系統。與4端口相同，3端口也能用來評估模式轉換特性。其中縱軸表示模式轉換特性 (Ssd12)，橫軸表示頻率。圖中數據是ESD 保護元件線路之間的靜電容量差。Ssd12的數值越大，特性越差；即數值越大，就有越多的噪聲（共模）轉換為通信信號成分（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，圖中還標出了CAN的共模扼流線圈（CMC）標準IEC62228-3中的Ssd12限制線。當ΔC≥2.7pF時，將無法滿足Class Ⅰ標準線的要求。
由此可知，ΔC越大，實際的模式轉換特性越差。
圖3：模式轉換特性 (Ssd12)
圖4：3端口測量的評估線路
傳導EMI試驗(150Ω方法)
接下來我們將介紹傳導EMI試驗（150Ω方法）的結果。在該示例試驗中，ESD 保護元件影響模式轉換特性后，EMC的實際性能也降低了。
傳導EMI試驗是一種通過EMI測試接收器直接測量信號線上傳導噪聲的試驗。在本測試中，評估板使用CAN，評估線路如圖5（傳導EMI試驗的評估線路圖）。
評估ESD 保護元件時，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采用兩個單線壓敏電阻合二為一的封裝形式，僅單個貼片壓敏電阻就能保護一對差分信號線。二合一形式具有能控制線路間容量差等優點，就結果來看，比單線用壓敏電阻具有更好的模式轉換特性。
圖5：傳導EMI試驗評估線路
實際評估結果如圖6所示。
縱軸表示噪音程度，橫軸表示頻率。橙色數據表示線路間的靜電容量差為13pF(ΔC=13pF)，此時單個壓敏電阻中的目錄規格值最差；藍色數據表示，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，圖中還標出了IEC61967-4中Class Ⅲ的標準線。
單個壓敏電阻從低頻越過標準線到達高頻，而陣列型壓敏電阻則保持在標準線以內。總體而言，陣列型變阻器的噪聲被控制在較小水平。
因此，當壓敏電阻不工作時，較差的模式轉換特性可能會降低穩態條件下的EMC特性。
圖6：傳導EMI試驗結果（單片壓敏電阻和陣列型貼片壓敏電阻AVRH系列）
結論 - 選擇合適的ESD保護元件（貼片壓敏電阻）具有重要意義
本文介紹了不合適的ESD保護元件會影響模式轉換特性，并且也通過EMC實驗證實了這一現象。
試驗發現，ESD保護元件能預防靜電，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換特性備受重視，ESD保護元件也應具有良好的模式轉換特性。
TDK車載通信壓敏電阻在設計上不僅考慮了ESD特性，還考慮了模式轉換特性。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保護元件若有任何疑問，歡迎隨時咨詢。
點擊下表中的型號可查看產品詳情。
表1：針對CAN FD的AVRH16A2C270KT200NA8規格表
表2：針對車載Ethernet的貼片壓敏電阻規格表
文章來源：TDK
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