SCART連接器的ESD保護方案

靜電放電(ESD)是電子設備在連接過程中出現的主要問題之一，它會引起許多元件失效，結果造成數百萬美元的損失。 由於元件的工藝尺寸現在縮小到1微米以下，ESD問題變得越來越突出，因此，必須採取有效的措施來保護設備中那些對ESD很敏感的元件，這樣才能夠很方便地把設備連接起來，而且在設計階段就要按照ESD標準中提出的要求，考慮到設備應當具備有效和可靠的ESD保護措施。SCART連接器廣泛用於消費類影像產品。本文旨在全面介紹SCART連接器使用的ESD保護技術。本文還向設計人員介紹了在設計時必須遵循的規則，也討論了性能優異的ESD保護元件，以及設計原則
電子元件因ESD而引起的損壞
ESD突波是變化很快的現象。產生ESD的原因有很多，其中包括人為的因素以及電磁環境。 ESD現象的持續時間一般很短，從0.2毫微秒到200毫微秒。相比之下，常見的雷擊現象的持續時間訧比較長，一般是幾百毫秒。 在插入SCART連接器時會出現靜電放電現象，如圖1所示。ESD的波形如本文第二部分中的圖3所示。雖然它不是能量很大的突波，但是它的電壓上升得很快，時間很短，會以不同的方式引起積體電路損壞或者功能不正常。
這類ESD突波中有一種會引起內部起絕緣作用的氧化物介電層擊穿而直接燒毀積體電路（見圖2）。這是一個進行得很快的過程，設備會立刻出現故障。還有一種ESD突波會造成積體電路內部出現鎖死現象，導致功能失常。結果在正常工作時，在積體電路內部突然出現短路及其它不希望出現的現象，在傳送數據時出現錯誤，或者出現短路這類故障，過了一段時間後，終於變成永久性的短路。

圖1: 在插入SCART連接器時出現的靜電放電

圖2: 在遭受靜電放電突波後氣化層出現擊穿
用於視頻設備的ESD保護標準
關於標準的基本概念
對於一個系統或者設備，人們關心的ESD標準/出版物有以下三種類型：
● 產品系列標準
● 通用標準
● 已經發佈的基本的EMC標準和技術報告
產品系列標準規定了屬於某一類型的產品所必須遵守的具體要求，例如“家用電氣產品和便攜式工具”、“ITE（信息技術設備）”或者“音頻、視頻、音像及專業人員使用的娛樂燈光控制設備”。
通用標準是產品系列標準的一部份，它是關於在某個具體環境下工作但又沒有專門的產品系列標準可循的那些產品所應當遵循的規定。這類標準規定了在這種環境下使用的產品或者系統必須遵循的主要要求以及測試方法。例如EN 50081-1/2 和EN 50082-1/2是關於商用、住宅用以及輕工業環境下使用的設備必須承受的ESD及它們所產生的ESD的測試。
已經發佈的基本EMC標準和技術報告是指那些不是針對具體的產品系列、產品、系統或者有關安裝的標準或者技術報告。其內容包括電磁現象的描述、各種級別的兼容性規範、對所產生電磁干擾的一般要求，有關承受干擾的測試級別及測試技術的建議。
IEC61000-4-X系列標準是有關ESD的基本EMC標準，其中規定了產生用於進行測試的可重復電氣信號的方法。 產品系列標準和通用標準要求ESD測試按照IEC61000-4-2基本測試標準進行。
按照IEC61000-4-2準進行ESD 測試
直接耦合法規定，對待測設備 (EUT)直接放電時，可以採用“空氣放電”方式，也可以採用“接觸放電”方式。按照空氣放電方式時， 進行ESD放電的方法如下：模擬ESD的設備靠近待測設備產生火花。在“接觸放電”方式中，模擬ESD的設備產生的輸出直接與待測設備接觸，形成ESD放電。

圖3: IEC61000-4-2標準規定的ESD突波波形

圖 4: 用於測試的ESD放電產生器的等效電路圖
在進行ESD測試時，通用的承受ESD標準和家用電氣設備產品系列標準要求產品在經過測試後能夠按照使用要求正常運作。產品的性能和功能不得低於製造商所規定的性能指標。在測試期間，允許性能有某些下降，如果實際的運作狀況或者存儲的數據沒有任何變化的話。在任何情況下，產品必須是安全的。
按照IEC61000-4-2標準ESD測試級別
IEC61000-4-2標準規定了4個級別，如下面的表1所示。系統或者設備必須符合其中的某一個級別。每個級別都保證系統或者設備在規定的電壓下可以成功地通過測試。
IEC61000-4-2
級別
測試電壓 (kV)
接觸放電
空氣放電
1
2
2
2
4
4
3
6
8
4
8
15
表1. IEC61000-4-2標準中關於接觸放電及空氣放電的四個級別。
SCART連接器簡介以及關於ESD保護的要求
SCART連接器的特性
SCART端口連接器是在電視機、視像產品及機頂盒等設備中最廣泛使用的一種連接器。這種有21個針腳的連接器傳送的音頻、視頻及RGB信號是一些很不同的信號，它們需要不同類型的保護。 下面的表2列出了SCART連接器上不同信號各種特點。
信號
AC 電平
DC電平
阻抗
紅、緣、藍
峰值至消隱： 0…0.7V ± 3dB
0…2V
75 W
視頻合成信號
0...1V ± 3dB，包括同步信號
0…2V
75 W
彩色信號
0...0.3V – 3dB...+ 10dB
0…2V
75 W
亮度信號
0…1V ± 3dB ，包括同步信號
0…2V
75 W
音頻輸入
0.2…2V (標稱值為 0.5V)
-
³ 10kW
音頻輸出
標稱值： 0.5V (最大值：2V)
£ 1kW
視頻信號的狀態
低數據率通信： 0…2V (例如遙控，Easylink)
內部： 0…2V
外部： 4.5…7V (16:9)
9.5…12V (4:3)
輸入: Zr ³ 10kW
Zc £ 2nF
輸出: Zr £ 1kW
消隱信號
-
內部： 0…0.4V
外部：1…3V
75 W
表 2：SCART連接器上輸入/輸出信號的電壓及阻抗
SCART 連接器簡介
圖5和圖 6以及表2 是關 於SCART連接器的一些細節。

圖5: SCART連接器的插座

圖6： SCART連接器的插頭
腳
名稱
說明
腳
名稱
說明
1
AOR
右聲道音頻輸出
11
G
RGB緣信號輸入
2
AIR
右聲道音頻輸入
12
Data
數據信號 1 輸出
3
AOL
左聲道音頻輸出 + 單聲道輸出
13
RGND
RGB 紅信號的地
4
AGND
音頻地
14
DATAGND
數據信號的地
5
BGND
RGB 藍信號的地
15
R
RGB 紅信號的輸入 / 彩色信號
6
AIL
左聲道音頻輸入+
單聲道輸入
16
BLNK
消隱信號
7
B
RGB藍信號輸入
17
VGND
合成視頻信號的地
8
Video status
音頻/RGB 切換/16:9
18
BLNKGND
消隱信號的地
9
GGND
RGB 緣信號的地
19
VOUT
合成視頻信號輸出
10
CLKOUT
時脈脈衝信號輸出
20
VIN
合成視頻信號輸入 / 亮度信號
21
Shield
地/屏蔽 (機殼)
表3： SCART連接器中各針腳的功能
閞於保護的要求
為了避免出現ESD而引起的故障，通常使用箝位保護元件。選用箝位保護元件時要考慮到影響電路性能的各種參數。下面重溫一下SCART連接器上不同類型連接線的主要要求。
● 音頻連接線：額定值是有效值0.5V，最大值為有效值2V。那麼，音頻連接線上的最大峰值電壓是2.8V (= 2 x )，這個數值確定了箝位電壓。由於信號是對稱的，要求雙向保護。
● 紅、緣及藍信號線：有效值為0.7V，疊加在最大為2V的直流電平上。 要求單方向的保護，箝位電壓最低為3V（= 2 + 0.7 x ）。
● 數據線1、時脈信號線：它應當是 5 V的直流電平。這些線很少使用，通常不需要保護。
● 彩色信號線：有效值0.3V，疊加在直流2V的信號上。因此要求單向保護，箝位電壓最低為 2.5V （= 2 + 0.3 x ）。
● 合成視頻信號及亮度信號線：有效值1 V，直流2 V信號。要求使用單向保護元件 ，箝位電壓最低為 3.5V （= 2 + 1 x ）。
● 視頻狀態線： 0... 2V（有效值）或者 直流4.5 V至7 V（對於16:9屏幕），或者直流9.5 V至12 V（對於 4:3屏幕）。它們要求單向保護，箝位電壓最低為7 V（對於16:9屏幕）或者12 V（對於 4:3屏幕）。所以應選擇最低箝位電壓為12V。
● 削隱信號線：在RGB模式為1... 3V（在複合模式為0... 0.4 V），要求單向保護，箝位電壓最低為 3 V。
SCART 連接器的最優ESD保護方案
由於ESD突波的能量並不是很大，保護元件的功耗並不大，因此，可以使用比較小的表面貼裝元件（SMD）。在意法半導體公司提供的眾多保護元件中，最優的方案是把各種元件配合起來使用。這個方案也是從成本，減少元件數量，儘可能縮短銅走線的長度這幾方面考慮的折衷方案。縮短印刷電路板上的銅走線是為了減少寄生電感，因為寄生電感會降低保護元件的性能。
這個方案使用以下兩種類型的元件：
● 雙向保護元件，所有音頻線的電壓相同，箝位電壓為5 V。
● 單向保護元件，所有其它的線上均使用箝位電壓為3V的元件，但視頻狀態線除外。這樣選用元件是為了使用標準的元件。

圖7的電路圖中是在SCART連接器中使用意法半導體的保護元件。
用於音頻線的意法半導體的保護元件
對於音頻線，選用ESDA6V1BC6。這個元件包含4個雙向瞬變電壓保護器，它們的箝位電壓是5 V，使用SOT23-6L封裝。該元件的引出腳如圖8所示

圖 8： ESDA6V1BC6的引出腳
用於視頻信號線及其它信號線的意法半導體保護元件
對於視頻信號線及其它信號線，使用裝在一個殼體中的兩個瞬變電壓抑制器，它們的箝位電壓則不同。因此，箝位電壓為3 V的 ESDA5V3L用於所有的信號線，但視頻狀態線除外。視頻狀態線要求使用箝位電壓比較高的保護元件。 對於視頻狀態線，選用ESDA14V2L，它的箝位電壓為12 V，適合於屏幕為16:9和4:5的電視機。這兩種元件都有SOT-23封裝的產品，它的引腳如圖9所示。

圖9: ESDA5V3L / ESDA14V2L 的引腳
這里選用的元件都符合以下標準：
● MIL STD 883E – 測試方法為3015-7, 25kV；
● IEC61000-4-2 空氣放電， 15kV （第 4級）；
● IEC61000-4-2 接觸放電， 8kV （第 4級）。
PCB電路佈置的影響
對PCB電路佈置的要求
在微電子產業中，隨著元件的微型化、新技術的出現以及更多的設備互相連接，ESD問題越來越重要。在ESD環境下，必須遵循ESD保護及可靠性的指引，這樣可以提高元件的整體可靠性，可以承受不同類型的ESD放電。在考慮ESD現象時，使用ESD保護元件防止敏感的積體電路因ESD而出現損壞，這是一個好辦法，但是印刷電路板（PCB）的設計也是很重要的。
為了清楚說明這點，我們做了以下假設：
• ESD突波的上升時間大約為1 ns；
• 空氣放電電壓為15 kV，ESD產生器的內部串聯電阻為330?，它產生的電流峰值大約是50 A；
• 印刷電路板上一段長度為1 mm、厚度為 35 µm、寬度為0.5 mm的銅走線的電感量為0.4 nH。
在這個假定下，我們考慮一段長度為10 mm、厚度為35 µm、寬度為0.5 mm的銅走線，在這段銅走線上的電壓降落為：
由此可得

這個大致估算的數字說明，印刷電路板佈置的影響是多麼地重要。隨之而來的是，我們便可以知道，保護元件與SCART之間的銅走線應當如何佈置。
正如在前面講過的，保護元件應當放在儘可能靠近SCART連接器的地方，以便降低銅走線的寄生電感。圖10給出一個保護SCART連接器的印刷電路板佈置方案。

圖 10： 用於SCART連接器的ESD保護的一個可能方案
進一步改善PCB 的佈置
為了確定PCB的佈置對ESD箝位作用的影響，下面給出幾項有關的測試。圖11是測量方法。

圖11： ESD試驗中使用的測量方法
在測量中便用的測試設備如下：
• Lecroy LT344 數字示波器
• NSG435 Schaffner ESD放電槍
• SCART 測試板（意法半導體自行設計）
音頻信號線使用 ESDA6V1BC6元件保護。圖12是在音頻信號線上的測量結果。

圖12：在針腳1 上進行極性為正和為負的空氣放電，ESD突波電壓為15 kV，圖中為實際測量的結果。
圖12中的兩條曲線為ESDA6V1BC6的響應，它是對稱的。± 15kV的突波電壓大約箝位在±40V的電平。但是箝位後剩下的電壓所產生的能量能很小，不會對受保護的元件造成損壞。
RGB, Blnk, Clkout, Data, Vout, Vin等信號線上用 ESDA5V3L元件保護，圖13是在這些信號線上的測量結果。

圖13：在針腳19上施加極性為正和為負的15kV的ESD空氣放電壓突波，本圖是腳19上的電壓實際測量結果。
圖13中的兩個圖說明了，對於10 ns的正突波，在+22 V時的箝位性能優異。對於10 ns的負突波，在-13 V時的箝位性能優異。在經受到正突波和負突波時，箝位電平的差別是由於在這個例子中使用的單向保護元件的特性不對稱性而引起的．這對於保護的效果並無影響。
視頻狀態線用ESDA14V23L來保護，圖14是在視頻線上的實際測量結果。

圖14： 腳8上經受極性為正和為負的15 kV ESD突波時測量到的電壓
圖14中的曲線是連接器端子上的剩餘電壓。這裡是用圖10所示的佈置，保護作用是良好的。但是有可能得到更好的保效果，如果把保護元件放在更加靠近連接器的位置，下面我們可以看到另外一種印刷電路板的佈置，保護性能得到了改善。
PCB 佈置的改善
把保護元件放在更加靠近連接器的地方，同時把回流走線設計得很短（使用接地面），佈置印刷電路板的第二個方案如圖15所示。這個方案既節省了印刷電路板的空間，也改善了ESD保護性能。
採用這個方案可以把剩餘的電壓進一步降低10 %。

圖 15：改善印刷電路板的設計可以一步提高ESD保護性能
結論
SCART連接器需要ESD保護以防止敏感的積體電路在進行連接時由於ESD突波而造成損壞。IEC61000-4-2等標準規定了有關ESD保護的要求，電子設備必須完全達到這些標準所規定的要求。意法半導體公司是ESD抑制元件的主要供應商，它提供眾多的高性能ESD保護元件。SCART連接器的一個性能優良的保護方案是：在視頻信號線上使用ESDA5V3L元件，視頻狀態線使用 ESDA14V2L元件，在音頻信號線上則使用 ESDA6V1BC6元件。縮短SCART連接器與保護元件之間的連接線長度，接地面緊靠保護元件接地腳，這些措施可以一步改善本文所介紹的ESD保護方案的性能。意法半導體的保護元件和優良的印刷電路板設計可以避免出現ESD突波損壞敏感的積體電路，例如引起積體電路的氧化層出現擊穿或者出現錯誤的鎖死現象。
（本文作者為意法半導體公司ASD與分離式元件應用與系統工程師）