不合适的ESD（静电放电）保护元件将降低模式转换特性和EMI特性

引言 - ESD预防措施以及对EMC性能的影响

ESD（静电放电）会导致电子设备失灵或故障，因此需要采取合适的防静电措施。通常使用压敏电阻等防静电元件来预防静电，且将元件安装在被保护的目标线路，比如集成电路(IC)和地线 (GND) 之间，如图1所示。ESD保护元件旨在当施加ESD等高电压时将其转换为低电阻形式并有效地将ESD引向GND，从而保护保护 IC 或类似线路。鉴于线路上通常直接贴装元件，若ESD保护元件选择不当，即使正常运行期间的线路信号也会受到影响，其中包括各种具有高速和差分信号的通信线路，比如车载通信CAN（控制器局域网）、车载以太网等。静电放电通常会对上述线路造成巨大影响，不仅可能导致通信质量变差，严重时还会影响EMC性能。

实际案例

如前文所述，使用不合适的ESD保护元件会降低信号质量和EMC性能。尤其是在如图2所示的差分信号线路中，高电平和低电平侧都使用了ESD 保护元件。此时，各自线路中使用的ESD 保护元件的静电容量差会降低每条线路间的阻抗对称性，并降低模式转换特性。此外，模式转换特性变差又可能降低EMC性能。
下文基于实际评估数据，介绍了ESD 保护元件对混合模式 S 参数与CAN通信传导EMI试验（150Ω方法）的影响。

（C1：+侧ESD保护元件的静电容量、C2：-侧ESD保护元件的静电容量）

• 模式转换特性 (Ssd12)

图3为实际测量模式转换特性 (Ssd12) 后的评估结果。这里的模式转换特性并非通常情况下的4端口测量系统，而是如图4所示的3端口模式转换特性评估系统。与4端口相同，3端口也能用来评估模式转换特性。其中纵轴表示模式转换特性 (Ssd12)，横轴表示频率。图中数据是ESD 保护元件线路之间的静电容量差。Ssd12的数值越大，特性越差；即数值越大，就有越多的噪声（共模）转换为通信信号成分（差模），反之亦然。（详见附录）
由图可知，ESD 保护元件线路间的静电容量 (ΔC) 越大，Ssd12就越差。
作为参考，图中还标出了CAN的共模扼流线圈（CMC）标准IEC62228-3中的Ssd12限制线。当ΔC≥2.7pF时，将无法满足Class Ⅰ标准线的要求。
由此可知，ΔC越大，实际的模式转换特性越差。

• 传导EMI试验(150Ω方法)

接下来我们将介绍传导EMI试验（150Ω方法）的结果。在该示例试验中，ESD 保护元件影响模式转换特性后，EMC的实际性能也降低了。
传导EMI试验是一种通过EMI测试接收器直接测量信号线上传导噪声的试验。在本测试中，评估板使用CAN，评估线路如图5（传导EMI试验的评估线路图）。
评估ESD 保护元件时，需要使用通用CAN压敏电阻和TDK的CAN二合一的阵列压敏电阻（AVRH16A2C270KT200NA8）。该AVRH16A2C270KT200NA8采用两个单线压敏电阻合二为一的封装形式，仅单个贴片压敏电阻就能保护一对差分信号线。二合一形式具有能控制线路间容量差等优点，就结果来看，比单线用压敏电阻具有更好的模式转换特性。

实际评估结果如图6所示。
纵轴表示噪音程度，横轴表示频率。橙色数据表示线路间的静电容量差为13pF(ΔC=13pF)，此时单个压敏电阻中的目录规格值最差；蓝色数据表示，AVRH16A2C270KT200NA8即使在最大容差情况下，线路间的容差值为1pF（ΔC=1pF）作为参考，图中还标出了IEC61967-4中Class Ⅲ的标准线。
单个压敏电阻从低频越过标准线到达高频，而阵列型压敏电阻则保持在标准线以内。总体而言，阵列型变阻器的噪声被控制在较小水平。
因此，当压敏电阻不工作时，较差的模式转换特性可能会降低稳态条件下的EMC特性。

结论 - 选择合适的ESD保护元件（贴片压敏电阻）具有重要意义

本文介绍了不合适的ESD保护元件会影响模式转换特性，并且也通过EMC实验证实了这一现象。
试验发现，ESD保护元件能预防静电，但若选型不对，将对EMC性能造成不良影响。尤其是近年来，车载通信线路的模式转换特性备受重视，ESD保护元件也应具有良好的模式转换特性。
TDK车载通信压敏电阻在设计上不仅考虑了ESD特性，还考虑了模式转换特性。因此与一般的压敏电阻相比，使用过程中对EMC性能的降低作用也较小。
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