RJ45 Surge ESD Protection-RJ45浪涌ESD保护方案(一)

编号：__________基于智能电视中HDMI与RJ45接口的ESD保护方案（最新版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日高清数字内容过去只能承载于物理磁盘上，需要专用设备才可以播放；而今，宽带连接无处不在，高清数字内容可以从“云”端中以“流”的形式传送和定制到计算机、智能手机或任何其它连网设备上。

传统电视是一种独立的终端，只能接收广播电视节目，由于它不具备我们习惯使用的联网功能，终会成为过时的产品。

因此，智能电视产业应运而生。

智能电视是指集成了互联网功能的电视机，它能提供比当今普通电视机更的计算能力和联网功能。

为了获得更高性能，智能电视通常都采用一代的技术。

随着更小更先进的集成电路不断促进电视机的发展，电磁兼容（EMC）领域将出现新的挑战，因为这些高速信号接口在正常使用条件下会受到静电和电缆放电事件的威胁。

本文将针对智能电视上两个常见和敏感的接口：HDMI与千兆以太网接口提供保护方案。

HDMI的ESD/CDE保护自从推出以来，HDMI（高清晰多媒体接口）已逐渐得到普及。

消费电子领域广泛采用该接口进行高清数字内容的传输。

不过，作为一种高性能接口，HDMI对于来自热插拔的电缆放电以及来自用户的直接静电放电（ESD）都极度敏感。

为确保其正常的功能，基于HDMI的系统必须保护所有可能暴露的接口信号与电源引脚，以符合或超出IEC 61000-4-2，Level 4（±15kV空气放电，±8kV接触放电）的EOS（过度电性应力）规范要求，而不致损坏。

目前HDMI 芯片工作在2.25Gbps，不久将达到3.4Gbps。

在如此高的数据传输速率下，对信号完整性与阻抗要求的关注将远远超过HDMI一致性测试规范（CTS）。

完整ESD及EMI保护方案对于电子产品而言，保护电路是为了防止电路中的关键敏感型器件受到过流、过压、过热等冲击的损害.保护电路的优劣对电子产品的质量和寿命至关重要.随着消费类电子产品需求的持续增长，更要求有强固的静电放电（ESD）保护，同时还要减少不必要的电磁干扰（EMI）/射频干扰（RFI）噪声。

此外，消费者希望最新款的消费电子产品可以用小尺寸设备满足越来越高的下载和带宽能力.随着设备的越来越小和融入性能的不断增加，ESD以及许多情况下的EMI/RFI抑制已无法涵盖在驱动所需接口的新一代IC当中。

另外，先进的系统级芯片（SoC）设计都是采用几何尺寸很小的工艺制造的.为了优化功能和芯片尺寸，IC设计人员一直在不断减少其设计的功能的最小尺寸。

IC尺寸的缩小导致器件更容易受到ESD电压的损害。

过去，设计人员只要选择符合IEC61000-4—2规范的一个保护产品就足够了.因此，大多数保护产品的数据表只包括符合评级要求。

由于集成电路变得越来越敏感,较新的设计都有保护元件来满足标准评级，但ESD冲击仍会形成过高的电压，有可能损坏IC。

因此，设计人员必须选择一个或几个保护产品，不仅要符合ESD脉冲要求,而且也可以将ESD冲击钳位到足够低的电压，以确保IC得到保护。

图1：美国静电放电协会（ESDA）的ESD保护要求先进技术实现强大ESD保护安森美半导体的ESD钳位性能备受业界推崇，钳位性能可从几种方法观察和量化。

使用几个标准工具即可测量独立ESD保护器件或集成器件的ESD钳位能力，包括ESD保护功能。

第一个工具是ESD IEC61000-4-2 ESD脉冲响应截图，显示的是随时间推移的钳位电压响应，可以看出ESD事件中下游器件的情形。

图2:ESD钳钳位截图除了ESD钳位屏幕截图，另一种方法是测量传输线路脉冲（TLP）来评估ESD钳位性能。

由于ESD事件是一个很短的瞬态脉冲，TLP可以测量电流与电压（I-V）数据,其中每个数据点都是从短方脉冲获得的。

常用电路模块的设计原则常用接口的设计和ESD防护---Jimmy&Felicity课程内容v HDMI&DVIv USBv VGAv SATA&IDEv PCIv CPCIv视频接口(RF,RCA, S-Video,视频色差输入接口)v AUDIOv以太网接口v光口v光耦v SD/TF卡v CF卡v SIM卡v LCDv Camerav串口（RS232 RS485等）v ESD防护HDMI（高清多媒体接口）1 v管脚定义HDMI（高清多媒体接口）2 v布局布线原则1,差分线的阻抗标准是100欧(+/-10%)2,ESD器件一定要靠近HDMI的端子放置3,信号线的匹配电阻起防ESD作用和微调阻抗用途，通常靠近插座放置,但是两个电阻必须是并排放置，不要一前一后4,四对差分线之间的误差为10mil.同一对差分线的误差为5mil5,四对差分线之间的间距要保证在15mil以上6,邻近GND层走线DVIv DVI(Digital Visual Interface，数字视频接口)v管脚定义DVI Layout要求v特性阻抗:单端50欧,差分100欧v信号换层时请在距离过孔50mil内增加回流地过孔v信号长度最长不要超过8000milv每个信号走线不能超过两个过孔v信号必须要参考GND层v差分对之间的间距要>=15milUSB (1)v管脚定义:VCC、Data－、Data＋、GND v USB1.1：12Mbps USB2.0：480MbpsUSB (2)v布局布线原则1,差分线特性阻抗:90欧2,邻近GND层走线3,离其他信号线和灌铜的间距>=20mils;4,如果使用保护地，保护地的线宽>=100mil，保护地和信号地之间的间距>= 25mil5,总长度尽量控制在1800 mil ;6,其电流大概500mA,电源管脚走线宽度>=30mil。

VGA接口(1)v管脚定义VGA接口(2)v布局:一字形或L形v R、G、B、Hsync和Vsync需要加粗,做包地处理SATA(1) v SCHv PCBSATA(2) v SCHv PCBSata Layout requirementsv Sata传输速度可达3Gb/sv尽量不打过孔v两组差分线控制特性阻抗:100欧v同一组差分线的长度误差为5milv邻近地平面走线v两组差分线之间的间距>=15mil,与其他信号或灌铜的间距也要保证>=15milv立体包地处理IDE v管脚定义PCIv时钟信号长度控制在:2450~2500milv其他信号长度:<=1500milv布局时要注意CPU与PCI金手指的距离CPCIv CPCI 插座一般都是压接器件，布局时需注意器件离插座的间距:Top层保证3mm 以上Bottom保证5mm以上v时钟信号控制在2500+/-100milv其他信号<=2500miv插座位置要严格按照CPCI标准规范进行v PCB布线实例附:CPCI标准规范CPCI视频接口(RF)v RF射频端子视频接口(RCA)v RCA(俗称莲花头),既可以用在音频，又可以用在普通的视频信号.视频接口(S-Video)v管脚定义(C,Y,YG,CG)v SPDIF为数字音频接口视频接口(视频色差输入接口) v管脚定义(Y Pr/Cr Pb/Cb)Audiov SCHv左,右声道(HPL HPR)走线宽度>=12mil，类差分布线v模拟信号要进行包地处理v模拟地与数字地分开v模拟电源与数字电源分开电源不能跨越对应的地区域以太网接口(1)v管脚定义1 TX+ Tranceive Data+ (发信号+)2 TX-Tranceive Data-(发信号-)3 RX+ Receive Data+ (收信号+)4 n/c Not connected (空脚)5 n/c Not connected (空脚)6 RX-Receive Data-(收信号-)7 n/c Not connected (空脚)8 n/c Not connected (空脚)外壳地以太网接口(2)v设计要求RJ45和变压器之间的距离尽可能的缩短外壳地与DGND之间的桥接电容要靠近外壳地管脚放置TX+,TX-和RX+,RX-走差分线.两组差分对之间的间距要>=4W 变压器下面所有层挖空;变压器其他信号线的线宽要>=20mil 变压器的外壳地(PGND)和DGND的隔离距离最小为80mil光口(1) v管脚定义光口(2) v设计要点光耦v隔离用,输入和输出分开(挖空处理)SD/TF卡1,所有的信号线走在同一层,参考GND平面2,所有信号与SD_CLK等长,误差+/-300mil 3,SD_CLK与其他信号线的间距>=20milCF卡v设计要点同IDESIM卡设计要点:1,时钟信号包地,不可跨电源平面,3W2,其他信号在走线时上下层不能有平行的信号线,周围也不能有如音频等模拟信号3,SIM卡属于经常热插拔器件，必须要有ESD防护措施LCD v管脚定义Camera v管脚定义串口-RS232v串口一般用到的信号只有RXD,TXD,GNDv TXD RXD 尽量不要同层平行走线，如果实在要同层，要求间距至少5W 以上v3，输入输出之间不要交叉在一起，用地隔离开串口-RS485v管脚定义(TXD+,TXD-,RXD+,RXD-)两组差分线布线实例v常用ESD保护器件和电路ESD保护ESD防护设计-低速板v布线要点1,横平竖直2,空间允许的话,走线越粗越好3,按高速电路设计理念来进行布线4,避免在PCB边缘安排重要的信号线，如时钟和复位信号等ESD防护设计-高速板v布线要点1,要有良好的地平面2,保持足够的间距:如滤波器,光耦,交流电源线与弱信号线3,长距离走线加低通滤波器(C,ESD器件,RC,LC)4,隔(增加屏蔽罩)ESD防护和实例Q&Av交流v作业。

静电保护（ESD）原理和设计⼀直想给⼤家讲讲ESD的理论，很经典。

但是由于理论性太强，如果前⾯那些器件理论以及snap-back理论不懂的话，这个⼤家也不要浪费时间看了。

任何理论都是⼀环套⼀环的，如果你不会画鸡蛋，注定了你就不会画⼤卫。

静电放电(ESD: Electrostatic Discharge)，应该是造成所有电⼦元器件或集成电路系统造成过度电应⼒(EOS: Electrical Over Stress)破坏的主要元凶。

因为静电通常瞬间电压⾮常⾼(>⼏千伏)，所以这种损伤是毁灭性和永久性的，会造成电路直接烧毁。

所以预防静电损伤是所有IC设计和制造的头号难题。

静电，通常都是⼈为产⽣的，如⽣产、组装、测试、存放、搬运等过程中都有可能使得静电累积在⼈体、仪器或设备中，甚⾄元器件本⾝也会累积静电，当⼈们在不知情的情况下使这些带电的物体接触就会形成放电路径，瞬间使得电⼦元件或系统遭到静电放电的损坏(这就是为什么以前修电脑都必须要配戴静电环托在⼯作桌上，防⽌⼈体的静电损伤芯⽚)，如同云层中储存的电荷瞬间击穿云层产⽣剧烈的闪电，会把⼤地劈开⼀样，⽽且通常都是在⾬天来临之际，因为空⽓湿度⼤易形成导电通到。

那么，如何防⽌静电放电损伤呢？⾸先当然改变坏境从源头减少静电(⽐如减少摩擦、少穿⽺⽑类⽑⾐、控制空⽓温湿度等)，当然这不是我们今天讨论的重点。

我们今天要讨论的时候如何在电路⾥⾯涉及保护电路，当外界有静电的时候我们的电⼦元器件或系统能够⾃我保护避免被静电损坏(其实就是安装⼀个避雷针)。

这也是很多IC设计和制造业者的头号难题，很多公司有专门设计ESD的团队，今天我就和⼤家从最基本的理论讲起逐步讲解ESD保护的原理及注意点，你会发现前⾯讲的PN结/⼆极管、三极管、MOS管、snap-back全都⽤上了。

正向导通反向截⽌(不记得就去翻前⾯的课程)，⽽且反偏电压继续增加会发⽣雪崩击穿(Avalanche Breakdown)⽽导通，我以前的专题讲解PN结⼆极管理论的时候，就讲过⼆极管有⼀个特性：正向导通反向截⽌们称之为钳位⼆极管(Clamp)。

网络接口（RJ45）布线设计简要说明在嵌入式工控系统中，常用的是10Mbps/100Mbps网络接口。

但是由于CPU 快速的发展，1000Mbps网络也开始在嵌入式系统中使用。

它们的通讯频率都是100BASE-TX标准：125MHz。

英创公司的ESM6802嵌入式主板，可以提供1000Mbps网络接口，符合1000BASE-T（IEEE802.3ab）标准。

对于10Mbps/100Mbps兼容网络，有2对差分信号线，TX（TX+、TX-）和RX（RX+、RX-），信号TX与RX是相互独立的信号线。

对于英创公司提供的1000Mbps网络，可以向下兼容10Mbps/100Mbps网络，使用4对差分信号线，数据传输时，会使用全部4对差分信号线。

所以对于PCB 走线，要求更高。

然而不少的客户在对以太网端口进行布线设计时，并没有按照以太网信号的差分、阻抗要求进行设计，或者没有考虑网络端口的ESD相关问题，最终导致一部份设备会出现无法预期的异常，或出现损坏率很高的情况。

这篇文章会基于英创公司的嵌入式工控主板接口，简单描述网络接口设计时需要注意的地方，以提高产品的稳定与可靠性。

1、网络信号走线要求同于网络通讯常用的UTP CAT5e网线，在1Mhz-100Mhz频率下，为100欧阻抗，所以为了得到更好的信号传输特性，PCB板上的每对差分信号线也需要设计/生产为100欧阻抗。

例如，在ESMARC EVB V5.0中，每对网络差分信号线的线宽为7mil，线距为8mil，在PCB加工生产说明文档/邮件中，就提出阻抗要求：(线宽-线距-线宽)7mil-8mil-7mil，阻抗100欧。

一般情况下，PCB厂家会根据你的要求，重新调整铜皮，使信号线的阻抗在要求值的+/-10以内，即可满足要求。

为了保证高频差分信号线上的信号相位差足够小，需要尽可能保证每一对差分信号线长一致，或控制最大线差长度。

对于网络通讯信号线，将信号线最大长度差控制在+/-25mil以内即可。

100M以太⽹RJ45防雷防静电防护⽅案图设计详解
以太⽹RJ45接⼝是⽬前应⽤较⼴泛的通讯设备接⼝，以太⽹RJ45的电磁兼容性能关系到通讯设备的稳定运⾏。

户外以太⽹容易遭受雷击，雷击浪涌产⽣的过电压和过电流会损坏以太⽹电磁兼容平衡，为此做好RJ45以太⽹接⼝的雷击保护⽅案显得⼗分有必要。

关于以太⽹RJ45接⼝防雷设计⽅案，不同电路保护器件公司设计的⽅案，略有差异。

接下来，电路保护器件⼚家东沃电⼦技术从100M（百兆）以太⽹、1000M（千兆）以太⽹、1000（千兆）POE以太⽹三种接⼝为您分享相对应的防雷保护设计⽅案：
以太⽹⼀次侧⼀般采⽤放电管做共模浪涌⼲扰的吸收，带POE供电的以太⽹⼀次侧需要加钳位型保护器件，⽤TVS瞬态抑制⼆极管或压敏低阻MOV串陶瓷⽓体放电管来做保护。

⼆次侧⼀般采⽤ESD⼆极管做差模浪涌⼲扰的吸收，根据设计要求灵活选⽤分⽴器件或集成器件。

具体选⽤什么型号的电路保护器件为以太⽹接⼝保驾护航，还是要根据以太⽹RJ45接⼝的应⽤保护需求及测试条件来定夺。

RJ45 网口防雷器，RJ45 网口防雷器如何安装示意图
RJ45 防雷器专用于防雷基础设施不够完善的地区的计算机用户，如
防雷设施不完善的乡镇、山区等。

雷电等具有破坏性的电磁波会通过网线进
入相连的计算机网口，从而造成网口损坏甚至计算机主板损坏.RJ45 防雷器通过采用国际先进的防雷元件，结合优异的防雷电路用于保护计算机网络端口
及其主板的安全，大大提高网络通讯设备信号端口抗雷击、防浪涌的能力。

适用于各种带RJ45 网络端口的设备，如计算机、路由器、IPTV、打印机等设备的RJ45 网络端口防护。

RJ45 浪涌保护为1、2、6、4、5、7、8 可有效保护3.10000V 的过电压、有效保护100/1000M 自适应网卡以及集成网口的主板、通过国际标准IEC61000-4-5、通过国际电信联盟准备ITU-T K.21/44、通过国标GB17626.5。

RJ45 产品参数额定工作电压Un 5V 响应时间Tr 《1ns 最大允许工作电压UC 6.5V 最大共模防护电压10000V 保护接口类型RJ45 网络端口最大传输带宽1000Mbps 工作温度范围-409C--- +70C 外型尺寸75mmx22mmx23mm （长x 宽x 高）。