ESD器件對高速信號有什么影響嗎

公眾號 | 高速先生

作者 | 周偉

我們看到越來越多的工業相機對外的接口信號如USB3/HDMI等在線路上會并（或串）一個ESD器件（或者TVS管），大家覺得針對這種高速接口的信號，ESD器件對信號會有什么影響嗎？另外針對這個器件，有些人喜歡叫ESD器件，有些人又喜歡叫TVS管，是不是有點傻傻分不清楚的感覺呢？

要搞清楚這個問題，我們先來簡單了解一下什么是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，比如小時候經常用筆在頭發或毛衣上摩擦幾下，就能吸上小小的紙屑，以前覺得可神奇了。靜電放電有時候也會把它叫做靜電干（騷）擾，如今靜電放電已經成為電子產品和設備的一種危害，造成電子產品和設備的功能紊亂甚至部件損壞。現代半導體器件的規模越來越大，工作電壓越來越低，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題越來越引起人們的重視。ESD也是20世紀中期以來形成的以研究靜電的產生、危害及靜電防護等為主的學科，電子設備的ESD也開始作為電磁兼容性測試的一項重要內容寫入國家標準和國際標準，因此就產生ESD靜電保護這么一個元器件產品，國際上習慣將用于靜電防護的器材統稱為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似。也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個較低的電壓值實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；它的主要特點是在反向應用條件下，當承受一個高能量的大脈沖時，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為低阻抗，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓鉗位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。當異常的高壓消失過后，電路進入到正常工作狀態的時候，又恢復到高阻態。

TVS管的作用籠統來說就是在系統中保護電子系統免受高能瞬態脈沖的影響，如靜電放電（ESD）、雷電浪涌和電快速瞬態脈沖（EFT），起到防護效果，其具體作用在于：當電路正常工作時，它處于截止狀態（高阻態），不影響線路正常工作, 在規定的反向應用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過，并將電壓鉗制到預定水平，從而有效地保護電子線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。綜合來說ESD指的范圍更廣，不僅是一種器件類型，更是一種事件、一門學科，而TVS管只是消除ESD影響的其中一種器件。

當然，我們今天的話題重點并不是講ESD器件和TVS管，硬件原理也不是我們擅長的領域，熟悉我們的老鐵們應該很清楚，我們主要還是聚焦在和PCB相關上，現在回到我們的正題上，PCB線路上并接了這個ESD器件，有時甚至和走線兼容設計，如下圖所示，走線直接穿過ESD器件的焊盤，連接上相當于ESD可有可無，但走線上有了器件，這樣對我們的PCB線路會不會有大的影響呢？

氣氛都烘托到這個份上了，看來要說沒影響估計也沒人信了，先來說說我們看到的問題吧。

一個客戶在做完產品后測試發現他們的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題，針對有實際產品的，我們的第一原則就是先測試阻抗摸個底，看看是否阻抗沒做好（線路和器件阻抗都有可能沒匹配好），于是我們測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）和后端串聯電容的阻抗測試結果，黃色曲線是去掉后端串聯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。可知加上ESD器件后，ESD處線路的阻抗從96ohm跌到了82ohm，阻抗急劇減小，此處對信號來說會有一個比較大的反射，可能是造成眼圖變小的一個因素。但前面說過，如果沒有這個ESD器件，從功能上來說其實不會有什么影響，但對產品的使用壽命可能會有影響，因為對于外部接口的器件來說，會受到ESD的影響，所以ESD器件的作用就有點像人有時候要買保險，車要買車險是一樣的道理，不怕一萬，就怕萬一，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，這時候所起的作用就非同小可了，它可保護整個電路體系免受浪涌、脈沖、靜電的破壞從而降低損失。所以一般在產品上市之前，國內或國外檢測部門都要求進行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在電路上沒有實際功能可有可無的ESD器件忽然變成了不可忽視的存在了。

有時我們在路邊攤上買到一個很便宜的電子產品，一開始用起來一切正常，以為自己撿到寶了，但用不了幾天發現突然壞了，這個有可能就是因為這些產品沒有經過上市前面的各種檢測，號稱三無產品，也可能沒有加ESD器件，在使用過程中被靜電打壞了，所以說一分錢一分貨哈。

既然一定要這個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，接下來測試的阻抗結果如下圖所示：

ESD器件最低點的阻抗居然到了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，接下來再測試下眼圖看是不是會好點，雖然后面沒有最終的眼圖測試結果圖片，但客戶最終反饋眼圖結果合格，至此事情得到完美的解決。

針對高速信號，我們選擇ESD器件的時候特別需要在哪些方面要注意呢？