ESD保護(hù)電路原理圖 ESD保護(hù)電路設(shè)計及PCB布局注意點

一、什么是ESD?

ESD代表靜電放電。許多材料可以導(dǎo)電并積累電荷。ESD 是由于摩擦帶電（材料之間的摩擦）或靜電感應(yīng)而發(fā)生的。每當(dāng)發(fā)生這種情況時，物體都會在其表面形成固定電荷（靜電）。當(dāng)這個物體放置得太靠近另一個帶電物體或材料時，電壓差會導(dǎo)致電流在它們之間流動，直到恢復(fù)電荷平衡。

因此，可以將靜電放電定義為兩種帶電材料或物體之間由接觸、短路或電介質(zhì)擊穿引起的瞬時電流流動。

對于消費類產(chǎn)品，ESD 和空氣中的介質(zhì)擊穿通常發(fā)生在兩點之間的電場大于 40 kV/cm 時。氣壓、溫度和濕度等因素會影響電場強度。例如，某些環(huán)境中的高濕度會導(dǎo)致空氣更具導(dǎo)電性，這會耗散一些電荷并增加 ESD 所需的電壓。

二、ESD如何影響PCB？

靜電在生活中比較常見，但是靜電荷的電壓可以達(dá)到幾千伏，可以對元件造成很大的危害。

當(dāng)這個電壓差足夠大時，就會有電流的傳導(dǎo)路徑，從而產(chǎn)生巨大的電流脈沖。隨著電流脈沖的發(fā)展，高熱量會在 PCB 本身的元件和導(dǎo)體內(nèi)消散。在極端場強和產(chǎn)生的電流下，PCB 可能會損壞，組件可能會被毀壞。

這種散熱基本上是 IR 壓降，其中 PCB 中元件的自然直流電阻會產(chǎn)生壓降并達(dá)到高溫。ESD 可能發(fā)生在 PCB 上的一些常見位置，因此?PCB 中的 ESD 保護(hù)應(yīng)重點放在某些特定區(qū)域。如下例如：

1、集成電路中的ESD

ESD 脈沖會導(dǎo)致電流流過集成電路上的管芯，產(chǎn)生會損壞組件的高熱。下面顯示了集成電路封裝的示例和半導(dǎo)體芯片上的走線。

尤其是現(xiàn)在很多芯片都是使用光刻特性制造的，不能承受高壓降，雖然說可能只是高于工作電壓的DC值，也會對芯片造成影響。

2、連接器中的ESD

連接器本身不是ESD源，但是在上面積聚的靜電荷都可能導(dǎo)致ESD。有人插入芯片，拔出電纜或者按下按鈕都會給設(shè)備帶來靜電風(fēng)險。由于浮動導(dǎo)體上靜電荷傳遞，浮動引腳可能會產(chǎn)生ESD。最后當(dāng)連接器插入插座時，可能會產(chǎn)生ESD，從而產(chǎn)生火花。

連接器上的金屬護(hù)罩和浮動引腳是某些消費和工業(yè)產(chǎn)品中發(fā)生 ESD 事件的常見位置。

處理浮動引腳的簡單解決方案是將它們接地。屏蔽連接器還應(yīng)具有連接到機(jī)箱的接地屏蔽層，并最終連接到大地。應(yīng)該是直接連接到底盤的低阻抗連接，不通過電容提供此連接，也不通過 PCB 將 ESD 電流路由到地。

PCB 設(shè)計的幾乎每個元素（走線、布線、層、電子元件放置和間距）都會影響電路板上的 PCB ESD 保護(hù)。因此必須在設(shè)計早期就考慮到ESD保護(hù)電路。

三、ESD保護(hù)電路設(shè)計

1、TVS 二極管和二極管電路

TVS 二極管保護(hù)電路是非工業(yè)低電壓設(shè)置中最常見的電路之一。與嵌入在電源管理 IC 或微控制器中的其他 ESD 保護(hù)元件相比，TVS 浪涌二極管保護(hù)器可以提供更高的電壓抑制，如下例所示。

下圖為ESD 保護(hù)電路示例，該電路由差分 I/O 上的并聯(lián) TVS 二極管組成。

ESD 保護(hù)電路示例

1）典型的電壓鉗位二極管電路

典型的電壓鉗位二極管電路如下所示。該電壓鉗位電路主要是限制緩沖器輸入端的電壓累積。

在正常情況下，二極管 D1 和 D2 是反向偏置的，只要輸入端的電壓大于電源軌電壓，二極管 D1 就會正向偏置并導(dǎo)通。類似地，當(dāng)輸入電壓低于地時，二極管 D2 正向偏置并從地向輸入導(dǎo)通。

下圖為單端緩沖器 I/O 上的 ESD 保護(hù)電路中使用的齊納二極管。

單端緩沖器 I/O 上的 ESD 保護(hù)電路中使用的齊納二極管。

上述電路可以使用一些具有高反向偏置擊穿電壓的簡單二極管（例如齊納二極管），或者并聯(lián)或背靠背配置組合的TVS二極管。用于確定使用哪種類型二極管的主要因素是擊穿電壓和正向電流。

TVS 二極管分為兩種類型，兩種類型的 TVS 二極管都在正常工作條件下充當(dāng)開路，并且在發(fā)生 ESD 浪涌時充當(dāng)接地短路。

2）單向瞬態(tài)抑制二極管

用于 ESD 保護(hù)的單向 TVS 浪涌二極管如下所示。TVS 二極管不一定是簡單的齊納二極管，也可以是專門作為 TVS 二極管銷售的組件，如下圖所示。

下圖為受保護(hù)組件電源軌上的單向 TVS 抑制二極管。

受保護(hù)組件電源軌上的單向 TVS 抑制二極管

在 ESD的正周期期間，該二極管變?yōu)榉聪蚱貌⒁匝┍滥Ｊ竭\行，導(dǎo)致 ESD 電流從輸入端流向地。在負(fù)周期期間，此 TVS 二極管變?yōu)檎蚱貌鲗?dǎo) ESD 電流。

單向 TVS 二極管保護(hù)電路免受 ESD 影響的方式：通過阻止或允許 ESD 電流流動，具體取決于其極性。

3）雙向瞬態(tài)抑制二極管

下圖顯示了雙向 TVS 浪涌二極管保護(hù) ESD 敏感元件的典型用法。這里只是一個簡單的布置，如果需要額外的電流限制，可以添加一個額外的電阻。

下圖為受保護(hù)組件電源軌上的雙向 TVS 抑制二極管。

受保護(hù)組件電源軌上的雙向 TVS 抑制二極管。

在瞬態(tài) ESD 的正周期期間，兩個二極管中的一個正向偏置，另一個反向偏置，這意味著一個二極管由于其正向偏置而導(dǎo)通，而另一個二極管則以雪崩模式工作。通過這種方式，兩個二極管都形成了一條從 ESD 源通向地的路徑。在負(fù) ESD 循環(huán)期間，二極管交換它們的模式，再次創(chuàng)建通路并且電路保持受保護(hù)。

2、使用 TISP4350 過壓保護(hù)器代替 TVS 二極管

這種電路專為電信線路上的過壓而設(shè)計。與 TVS 二極管陣列相比，TISP4 針對 ESD 事件和其他來源的過壓事件提供了某種程度的通用保護(hù)。

使用 TISP4350 過壓保護(hù)器代替 TVS 二極管

保護(hù)裝置的選擇取決于許多因素。不同的型號和類型針對不同的電壓范圍、工作電壓、事件持續(xù)時間、響應(yīng)時間等而設(shè)計。

3、其他 ESD 抑制器組件

除以上介紹的外，還有其他幾種 ESD 抑制器組件，例如多層變阻、氣體放電管和基于聚合物的抑制器。ESD 抑制組件用于將 ESD 電壓降低到特定限值以下，從而保護(hù)電路或組件組。

抑制器組件或電路并聯(lián)到易受攻擊的線路，將低 ESD 電壓保持在一定限度內(nèi)，并將主要的 ESD 電流分流到地。一般來說都可以datasheet上找到相關(guān)的電路示例。

4、具體案例：氣體放電管 + TVS 二極管

處理高電壓的一種策略是使用與 TVS 二極管和電感并聯(lián)的氣體放電管。電感和 TVS 二極管就像一個低通 RL 電路，提供額外的濾波并減慢 ESD 脈沖的上升時間。

下面這個電路基本上是一個具有大時間常數(shù)的低通濾波器，因此該電路將允許標(biāo)稱直流電壓通過，同時為通過放電管的 ESD 電流提供高阻抗。輸入端的保險絲提供了針對大 ESD 電壓的額外保護(hù)。

下圖為采用TVS二極管和氣體放電管的ESD保護(hù)電路設(shè)計。

采用TVS二極管和氣體放電管的ESD保護(hù)電路設(shè)計

四、PCB布局中的ESD保護(hù)

1、優(yōu)化 TVS 周圍的阻抗

所有 PCB 元件和走線都有寄生電感。在典型的保護(hù)方案中，有四個：ESD 源 和 TVS 陣列之間的電感（L1 和 L2）、TVS 和地之間的電感（L3）以及 TVS 和受保護(hù)集成電路之間的電感.。

只有當(dāng) L4 大于 L1-3 時，ESD 電流才能被強制接地。

優(yōu)化 TVS 周圍的阻抗

下圖顯示了一個項目的PCB布局。從下圖中可以看出來，PCB的這一部分有一個USB端口，為了保護(hù) FT231X UART (U1)，我們在它和端口之間的路徑上放置了一個 USBLC6-4SC6 ESD 抑制器 (U2)。

PCB ESD保護(hù)布局

這里有2點需要注意：

抑制器 (U2) 放置在靠近 ESD 源（USB 端口）的位置，電感 L4 變得比 L1 大得多，這迫使 ESD 電流流向 TVS。

抑制器直接放置在從 ESD 源到受保護(hù) IC 的路徑上，從而完全移除 L2。

2、限制靜電放電的 EMI

ESD 產(chǎn)生強電壓脈沖，可對附近的其他信號線產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。輻射的主要來源位于 ESD 源和用作天線的抑制器之間。

如果可能，在設(shè)計上應(yīng)該使抑制器區(qū)域遠(yuǎn)離其他電路和未受保護(hù)的走線，否則它們會將 ESD 信號傳送到其他 IC。即使不考慮每條線路的電感，受保護(hù)線路和相鄰的未受保護(hù)線路也可以充當(dāng)電容，從而允許電壓浪涌在兩條線路之間傳遞。下圖說明了?ESD 脈沖如何耦合到未受保護(hù)的線路：

ESD 耦合到附近的走線，因為這兩條走線就像一個電容

限制 EMI 的另一種方法是使用直線和短路徑，因為拐角會輻射 EMI。在這種情況下，使用直線是不可能的。相反，我們使用了 45° 彎曲。

PCB ESD保護(hù)電路布局

3、正確使用VIA

在多層 PCB 中，過孔可以用作帶有寄生電感，減少不必要走線。下圖中，ESD源和受保護(hù)IC在同一層，而TVS在另一層，在這里，VIA 作為 L2 工作，導(dǎo)致 ESD 電流在 TVS 和 IC 之間分流，因此必須要避免這種布局。

在這種情況下，盡管 TVS 在其路徑上，但一部分 ESD 電流將流向受保護(hù)的 IC。

PCB 最差布局

理想情況下，ESD 源和 TVS 應(yīng)該放在同一層，如下圖所示。這樣，ESD 電流先流過 TVS 保護(hù)引腳，然后再通過 VIA 流向受保護(hù)電路。在這種情況下，TVS 直接位于從 ESD 源到受保護(hù)電路的路徑上。

用于ESD保護(hù)的最佳PCB布局

在這個特殊的 PCB 設(shè)計中，ESD 源（USB 連接器）在兩個不同的層上有兩條走線。但是將ESD源和TVS放同一個水平面是不可能的，因此采用了一個可以接受的布局。

這里也可能會遇到一種相反的情況：TVS 和受保護(hù)的 IC 位于同一層，但 ESD 源（來自 USB 的兩條走線）位于不同的層。雖然如此，但這樣設(shè)計VIA也是正確的，因為TVS 保護(hù)引腳會在 ESD 電流流向 IC 之前接收它。

用于ESD保護(hù)的VIA布局

如果無法實現(xiàn)理想的布局，可接受的折中方案是按以下方式將 ESD 電流強制流向 TVS：雖然這種布線對于 ESD 保護(hù)來說并不完美，但如果沒有其他選擇，也可以采用這個方式。

使用VIAS妥協(xié)路由

4、放置ESD 抑制器

選擇與電路電氣特性兼容的 ESD 抑制器后，下一個需要考慮的是放在哪里。放置時應(yīng)使 IC 在發(fā)生 ESD 時接收到盡可能低的電壓浪涌。

對于中頻信號和典型的 ESD 脈沖，PCB 走線就像電感一樣，意味著它們的阻抗隨頻率 (ωL) 增加。帶有 TVS 二極管的電路現(xiàn)在如下所示：

線路電感對 ESD 的影響

從上圖中我們可以清楚的看到，當(dāng)L2>>L1時，二極管會快速觸發(fā)。這也意味著大部分電流將被引導(dǎo)離開受保護(hù)線路，L2 還將耗散留在受保護(hù)線路上的任何 ESD。

這意味著我們需要將 TVS 二極管放置在盡可能靠近可能發(fā)生 ESD 的位置。ESD 抑制器連接到線路或地的電感應(yīng)該最小。ESD脈沖的能量隨著走線長度的增加而降低，因此ESD抑制器與被保護(hù)IC之間的走線長度應(yīng)盡可能長。

5、ESD 源和抑制器之間正確添加過孔

如果 ESD 源和抑制器之間有過孔，過孔也會導(dǎo)致耦合到未受保護(hù)的線路。理想情況下，ESD 源和抑制器之間不應(yīng)有任何過孔，因為它會增加線路的長度，從而導(dǎo)致線路上的電感增加。這有兩個不利影響：

會增加被保護(hù)線路中的ESD脈沖能量

會通過 EMI 增加未受保護(hù)的線路產(chǎn)生的信號

如果工程師沒有其他辦法，必須要添加過孔，那么就必須要確保保護(hù)線和抑制器在PCB的同一個側(cè)，且源極在過孔后連接保護(hù)線（下圖中的案例一）。

最差的是源線和保護(hù)西安在同一側(cè)，而ESD抑制器在另一側(cè)，必須要避免這種情況（下圖中的案例二）。在這種情況下，最好使用另一個過孔在ESD抑制器之后連接受保護(hù)線路，而不是直接將ESD源直接連接到受保護(hù)線路（下圖中案例3）。

掙錢去添加過孔以減少 ESD 對受保護(hù)線路的影響

6、適當(dāng)?shù)慕拥夭季€

在上面的內(nèi)容中已經(jīng)有說明，我們需要降低源極和TVS二極管之間的走線電感，將電壓脈沖遠(yuǎn)離我們需要保護(hù)的IC，在那里我們是假定ESD抑制器具有良好的接地。但實際上，ESD源TVS二極管之間或者TVS二極管和地之間可能存在一些電感，如下圖所示：

抑制器上的寄生電感可以將更多的 ESD 電壓引導(dǎo)回 IC

我們可以通過將?TVS 放置在盡可能靠近信號源的位置來降低 L3。為了減少 L4，我們使用過孔將 TVS 接地引腳直接連接到接地層。如果無法直接連接，則在通往地平面的走線上并聯(lián)使用多個過孔。

這樣的話應(yīng)該讓每個過孔和焊盤尺寸上的鉆孔直徑更大，以增加表面積（以對抗集膚效應(yīng)）。TVS 抑制器上的接地過孔應(yīng)填充非導(dǎo)電材料，以保持較大的表面積。

審核編輯：湯梓紅