接口布线与抗 ESD 干扰能力【EMC学习】

【现象描述】

在某设备的某个模块上有一个维护窗口，里面有网口、2S 时钟信号口、串口等对外通信接口。这些对外通信接口的作用在千设备实际应用时可进行监控和维护。在进行ESD测试时，对2S 时钟信号口（采用一个 SMB 接插件输出）的金属插座进行 土2 kV放电测试，设备工作正常；放电强度增加到土 4 kV 时，模块出现告警，传输数据出现许多误码；进行士 6 kV 放电测试时，模块误码急剧增加，并最终出现复位现象。

【原因分析］

模块上的2S 时钟信号是通过一个 SMB 的同轴连接器与外部进行联系。接插件的金属外壳与 PCB 板的工作地相连，工作地与模块的金属外壳相连， PCB 板上没有独立的保护地。

2S信号进入PCB 板以后连接到一个TVS 保护器件和一个与非门，经过与非门整形后进入时钟处理芯片。这个 2S时钟是PCB板的参考时钟， 所有时钟信号均以这个源作为同步参考。

所以，这个信号出现错误，整个模块的时钟就会全部出错，导致这个模块功能丧失，而这个模块又是这个设备系统的基础，它的控制功能丧失，必将导致整个模块瘫痪。

从测试结果看，对同轴连接器外壳进行放电时，有三种情况可能导致 2S 时钟信号受到干扰：第一种情况是，同轴连接器没有接地或接地不良，对其放电时会产生强大的电磁场干扰，影响时钟电路；

第二种情况是，可能 ESD电流直接注入器件引脚，虽然同轴连接器已经接地，但是这个地不是保护地，干扰会直接进入PCB板对2S信号产生影响，而且2S 信号进入PCB板后没有进行ESD保护；

第三种情况是，虽然2S信号上并联了TVS, 但是TVS 在电路中并没有起到保护作用。

对于第一种情况，对SMA的金属外壳进行测量，确保外壳已经接地处理，这个可能性可以排除。

对于第二种情况，SMA金属外壳直接连接到PCB板的工作地，所以ESD干扰可以通过PCB板的工作地直接对PCB板上的工作信号产生影响。

在这种情况下， 如果接口器件没有进行ESD防护处理，则很容易影响 PCB 板的正常工作，所以在对接口电路的处理中，都会考虑在信号线上并联TVS 进行保护，这个PCB板也不例外，因此这一情况也被排除。

对于第三种情况，SMA的金属外壳连接到PCB板的工作地上， 而且信号线并联 TVS进行保护处理， 但在 ESD测试中，仍然出现大量的误码和复位现象，这说明 TVS 没有起到应有的作用，这是此案例问题的根本所在，然而为什么TVS 管没有起到应有的保护作用呢？

在电路原理图上已经表明信号线上已经并联了TVS, 那么在 PCB设计上是否实现了

TVS 的正确连接呢？按照信号线保护的基本要求，需要将保护器件放置在接口的入口处，所以在 PCB布线时需要考虑到信号进入PCB 板后，首先应连接到TVS, 然后从TVS 连接到内部其他的工作电路。实际分析该 PCB板的布线时发现，在PCB设计中没有做到这一点。2S信号在PCB板上的布线及TVS、与非门的相对位置如下图所示。

图中白色的连线就是2S 信号的走线方式。从上面的图示可以知道， 2S 信号从SMA 连接器出来后分为两路：一路直接下来连接到与非门；另外一路从右边走了一段比较长的路线以后连接到TVS。经过测量，从TVS 到SMA 连接器的连线长度为 60 + 10=70 mm, 从SMA 连接器到与非门的连线长度为30 mm , 远小于连接到TVS的距离。

因此对 2S 信号的金属外壳施加干扰时，耦合到信号线上的干扰要先进入与非门，然后才能达到T VS, 所以这时的TVS 根本没有起到抑制ESD干扰的作用。

从原理上可以做如下解释：从SMA连接器到TVS 引脚的印制线较长，由于印制线存在一定的阻抗（此阻抗是印制线端到端的阻抗，并非传输线概念中的特性阻抗），故阻抗的大小主荌取决于印制线的长度。

对这部分接口电路的 PCB布局布线进行调整修改，即将 TVS 放置在连接器及与非门之间。这样的连接符合ESD保护的要求，经过测试也证明从±2 ~ ± 6 kV 均能使模块工作正常，没有出现任何误码。

【处理措施】

从以上的分析可见 ， ESD保护能力的变差主要由PCB 中器件的布局不合理造成的，使得TVS 没有起到应有的保护作用。通过 PCB 中器件的重新布局，将 TVS 放置在连接器及与非门之间、保证 信号先经过保护器件再进人逻辑器件，就可以满足 ESD 测试的要求。

【思考与启示】

TVS 及类似的保护器件在 PCB中布局时， 应放置在接口连接器之后的信号入口处，靠近连接器，并且保护器件位于被保护器件与接口连接器之间，信号先经过保护器件，再由保护器件引向被保护器件。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》