圖1：以太網(wǎng)中斷不能重連

 

有ESD設(shè)計經(jīng)驗的人一般都知道靜電干擾途徑主要為地傳導(dǎo)、信號線+電源線+I/O線傳輸和空間輻射三種。針對以上三種干擾改進(jìn)ESD設(shè)計的方法如下：

 

1）軟件復(fù)位設(shè)計。增加軟件看門狗，主循環(huán)壞死就reset；加狀態(tài)檢測判斷寄存器/IO口狀態(tài)是否正確，不對就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)計并未對以太網(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TX+/TX-和RX+/RX-并沒有設(shè)計ESD防護(hù)，所以需在差分信號端增加4個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TVS管便宜；

2）封裝小，節(jié)省Layout空間，方便布局，TVS管陣列會比4個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，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）極低的動態(tài)電阻，提供超低箝位電壓；超低漏電流，3.3V時最大1nA電流；

5）以太網(wǎng)電源AVCC設(shè)計上能節(jié)省一個TVS管；

6）價格便宜。

 

 

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)計時需注意以下幾點：
 

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)差分信號從下面上來，所以ULC0504T6放在左下角，這樣保證了信號線先經(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

 

改進(jìn)后的設(shè)計，靜電實驗結(jié)果如圖5所示。實驗過程中偶爾斷一次，但能立刻恢復(fù)，滿足了國網(wǎng)、南網(wǎng)靜電抗擾度4級實驗要求。

 

圖5：改進(jìn)設(shè)計后的靜電實驗結(jié)構(gòu)

 

 

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