ESD保护电路及PCB设计要点

硬件笔记本 2023-08-16 07:40

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一、什么是ESD?

ESD代表静电放电。许多材料可以导电并积累电荷。ESD 是由于摩擦带电（材料之间的摩擦）或静电感应而发生的。每当发生这种情况时，物体都会在其表面形成固定电荷（静电）。当这个物体放置得太靠近另一个带电物体或材料时，电压差会导致电流在它们之间流动，直到恢复电荷平衡。

因此，可以将静电放电定义为两种带电材料或物体之间由接触、短路或电介质击穿引起的瞬时电流流动。

对于消费类产品，ESD 和空气中的介质击穿通常发生在两点之间的电场大于 40 kV/cm 时。气压、温度和湿度等因素会影响电场强度。例如，某些环境中的高湿度会导致空气更具导电性，这会耗散一些电荷并增加 ESD 所需的电压。

二、ESD如何影响PCB？

静电在生活中比较常见，但是静电荷的电压可以达到几千伏，可以对元件造成很大的危害。

当这个电压差足够大时，就会有电流的传导路径，从而产生巨大的电流脉冲。随着电流脉冲的发展，高热量会在 PCB 本身的元件和导体内消散。在极端场强和产生的电流下，PCB 可能会损坏，组件可能会被毁坏。

这种散热基本上是 IR 压降，其中 PCB 中元件的自然直流电阻会产生压降并达到高温。ESD 可能发生在 PCB 上的一些常见位置，因此 PCB 中的 ESD 保护应重点放在某些特定区域。如下例如：

1、集成电路中的ESD

ESD 脉冲会导致电流流过集成电路上的管芯，产生会损坏组件的高热。下面显示了集成电路封装的示例和半导体芯片上的走线。

集成电路封装（左）和管芯（右）上的极端 ESD 损坏

尤其是现在很多芯片都是使用光刻特性制造的，不能承受高压降，虽然说可能只是高于工作电压的DC值，也会对芯片造成影响。

2、连接器中的ESD

连接器本身不是ESD源，但是在上面积聚的静电荷都可能导致ESD。有人插入芯片，拔出电缆或者按下按钮都会给设备带来静电风险。由于浮动导体上静电荷传递，浮动引脚可能会产生ESD。最后当连接器插入插座时，可能会产生ESD，从而产生火花。

连接器上的金属护罩和浮动引脚是某些消费和工业产品中发生 ESD 事件的常见位置。

连接器上的金属护罩和浮动引脚是某些消费和工业产品中发生 ESD 事件的常见位置

处理浮动引脚的简单解决方案是将它们接地。屏蔽连接器还应具有连接到机箱的接地屏蔽层，并最终连接到大地。应该是直接连接到底盘的低阻抗连接，不通过电容提供此连接，也不通过 PCB 将 ESD 电流路由到地。

PCB 设计的几乎每个元素（走线、布线、层、电子元件放置和间距）都会影响电路板上的 PCB ESD 保护。因此必须在设计早期就考虑到ESD保护电路。

三、ESD保护电路设计

1、TVS 二极管和二极管电路

TVS 二极管保护电路是非工业低电压设置中最常见的电路之一。与嵌入在电源管理 IC 或微控制器中的其他 ESD 保护元件相比，TVS 浪涌二极管保护器可以提供更高的电压抑制，如下例所示。

下图为ESD 保护电路示例，该电路由差分 I/O 上的并联 TVS 二极管组成。

ESD 保护电路示例

1）典型的电压钳位二极管电路

典型的电压钳位二极管电路如下所示。该电压钳位电路主要是限制缓冲器输入端的电压累积。

在正常情况下，二极管 D1 和 D2 是反向偏置的，只要输入端的电压大于电源轨电压，二极管 D1 就会正向偏置并导通。类似地，当输入电压低于地时，二极管 D2 正向偏置并从地向输入导通。

下图为单端缓冲器 I/O 上的 ESD 保护电路中使用的齐纳二极管。

单端缓冲器 I/O 上的 ESD 保护电路中使用的齐纳二极管。

上述电路可以使用一些具有高反向偏置击穿电压的简单二极管（例如齐纳二极管），或者并联或背靠背配置组合的TVS二极管。用于确定使用哪种类型二极管的主要因素是击穿电压和正向电流。

TVS 二极管分为两种类型，两种类型的 TVS 二极管都在正常工作条件下充当开路，并且在发生 ESD 浪涌时充当接地短路。

2）单向瞬态抑制二极管

用于 ESD 保护的单向 TVS 浪涌二极管如下所示。TVS 二极管不一定是简单的齐纳二极管，也可以是专门作为 TVS 二极管销售的组件，如下图所示。

下图为受保护组件电源轨上的单向 TVS 抑制二极管。

受保护组件电源轨上的单向 TVS 抑制二极管

在 ESD的正周期期间，该二极管变为反向偏置并以雪崩模式运行，导致 ESD 电流从输入端流向地。在负周期期间，此 TVS 二极管变为正向偏置并传导 ESD 电流。

单向 TVS 二极管保护电路免受 ESD 影响的方式：通过阻止或允许 ESD 电流流动，具体取决于其极性。

3）双向瞬态抑制二极管

下图显示了双向 TVS 浪涌二极管保护 ESD 敏感元件的典型用法。这里只是一个简单的布置，如果需要额外的电流限制，可以添加一个额外的电阻。

下图为受保护组件电源轨上的双向 TVS 抑制二极管。

受保护组件电源轨上的双向 TVS 抑制二极管。

在瞬态 ESD 的正周期期间，两个二极管中的一个正向偏置，另一个反向偏置，这意味着一个二极管由于其正向偏置而导通，而另一个二极管则以雪崩模式工作。通过这种方式，两个二极管都形成了一条从 ESD 源通向地的路径。在负 ESD 循环期间，二极管交换它们的模式，再次创建通路并且电路保持受保护。

2、使用 TISP4350 过压保护器代替 TVS 二极管

这种电路专为电信线路上的过压而设计。与 TVS 二极管阵列相比，TISP4 针对 ESD 事件和其他来源的过压事件提供了某种程度的通用保护。

使用 TISP4350 过压保护器代替 TVS 二极管

保护装置的选择取决于许多因素。不同的型号和类型针对不同的电压范围、工作电压、事件持续时间、响应时间等而设计。

3、其他 ESD 抑制器组件

除以上介绍的外，还有其他几种 ESD 抑制器组件，例如多层变阻、气体放电管和基于聚合物的抑制器。ESD 抑制组件用于将 ESD 电压降低到特定限值以下，从而保护电路或组件组。

抑制器组件或电路并联到易受攻击的线路，将低 ESD 电压保持在一定限度内，并将主要的 ESD 电流分流到地。一般来说都可以datasheet上找到相关的电路示例。

4、具体案例：气体放电管 + TVS 二极管

处理高电压的一种策略是使用与 TVS 二极管和电感并联的气体放电管。电感和 TVS 二极管就像一个低通 RL 电路，提供额外的滤波并减慢 ESD 脉冲的上升时间。

下面这个电路基本上是一个具有大时间常数的低通滤波器，因此该电路将允许标称直流电压通过，同时为通过放电管的 ESD 电流提供高阻抗。输入端的保险丝提供了针对大 ESD 电压的额外保护。

下图为采用TVS二极管和气体放电管的ESD保护电路设计。

采用TVS二极管和气体放电管的ESD保护电路设计

四、PCB布局中的ESD保护

1、优化 TVS 周围的阻抗

所有 PCB 元件和走线都有寄生电感。在典型的保护方案中，有四个：ESD 源和 TVS 阵列之间的电感（L1 和 L2）、TVS 和地之间的电感（L3）以及 TVS 和受保护集成电路之间的电感.。

只有当 L4 大于 L1-3 时，ESD 电流才能被强制接地。

优化 TVS 周围的阻抗

下图显示了一个项目的PCB布局。从下图中可以看出来，PCB的这一部分有一个USB端口，为了保护 FT231X UART (U1)，我们在它和端口之间的路径上放置了一个 USBLC6-4SC6 ESD 抑制器 (U2)。

PCB ESD保护布局

这里有2点需要注意：

抑制器 (U2) 放置在靠近 ESD 源（USB 端口）的位置，电感 L4 变得比 L1 大得多，这迫使 ESD 电流流向 TVS。
抑制器直接放置在从 ESD 源到受保护 IC 的路径上，从而完全移除 L2。

2、限制静电放电的 EMI

ESD 产生强电压脉冲，可对附近的其他信号线产生电磁干扰 (EMI)。辐射的主要来源位于 ESD 源和用作天线的抑制器之间。

如果可能，在设计上应该使抑制器区域远离其他电路和未受保护的走线，否则它们会将 ESD 信号传送到其他 IC。即使不考虑每条线路的电感，受保护线路和相邻的未受保护线路也可以充当电容，从而允许电压浪涌在两条线路之间传递。下图说明了 ESD 脉冲如何耦合到未受保护的线路：

ESD 耦合到附近的走线，因为这两条走线就像一个电容

限制 EMI 的另一种方法是使用直线和短路径，因为拐角会辐射 EMI。在这种情况下，使用直线是不可能的。相反，我们使用了 45° 弯曲。

PCB ESD保护电路布局

3、正确使用VIA

在多层 PCB 中，过孔可以用作带有寄生电感，减少不必要走线。下图中，ESD源和受保护IC在同一层，而TVS在另一层，在这里，VIA 作为 L2 工作，导致 ESD 电流在 TVS 和 IC 之间分流，因此必须要避免这种布局。

在这种情况下，尽管 TVS 在其路径上，但一部分 ESD 电流将流向受保护的 IC。

PCB 最差布局

理想情况下，ESD 源和 TVS 应该放在同一层，如下图所示。这样，ESD 电流先流过 TVS 保护引脚，然后再通过 VIA 流向受保护电路。在这种情况下，TVS 直接位于从 ESD 源到受保护电路的路径上。

用于ESD保护的最佳PCB布局

在这个特殊的 PCB 设计中，ESD 源（USB 连接器）在两个不同的层上有两条走线。但是将ESD源和TVS放同一个水平面是不可能的，因此采用了一个可以接受的布局。

这里也可能会遇到一种相反的情况：TVS 和受保护的 IC 位于同一层，但 ESD 源（来自 USB 的两条走线）位于不同的层。虽然如此，但这样设计VIA也是正确的，因为TVS 保护引脚会在 ESD 电流流向 IC 之前接收它。

用于ESD保护的VIA布局

如果无法实现理想的布局，可接受的折中方案是按以下方式将 ESD 电流强制流向 TVS：虽然这种布线对于 ESD 保护来说并不完美，但如果没有其他选择，也可以采用这个方式。

使用VIAS妥协路由

4、放置ESD 抑制器

选择与电路电气特性兼容的 ESD 抑制器后，下一个需要考虑的是放在哪里。放置时应使 IC 在发生 ESD 时接收到尽可能低的电压浪涌。

对于中频信号和典型的 ESD 脉冲，PCB 走线就像电感一样，意味着它们的阻抗随频率 (ωL) 增加。带有 TVS 二极管的电路现在如下所示：

线路电感对 ESD 的影响

从上图中我们可以清楚的看到，当L2>>L1时，二极管会快速触发。这也意味着大部分电流将被引导离开受保护线路，L2 还将耗散留在受保护线路上的任何 ESD。

这意味着我们需要将 TVS 二极管放置在尽可能靠近可能发生 ESD 的位置。ESD 抑制器连接到线路或地的电感应该最小。ESD脉冲的能量随着走线长度的增加而降低，因此ESD抑制器与被保护IC之间的走线长度应尽可能长。

5、ESD 源和抑制器之间正确添加过孔

如果 ESD 源和抑制器之间有过孔，过孔也会导致耦合到未受保护的线路。理想情况下，ESD 源和抑制器之间不应有任何过孔，因为它会增加线路的长度，从而导致线路上的电感增加。这有两个不利影响：

会增加被保护线路中的ESD脉冲能量
会通过 EMI 增加未受保护的线路产生的信号

如果工程师没有其他办法，必须要添加过孔，那么就必须要确保保护线和抑制器在PCB的同一个侧，且源极在过孔后连接保护线（下图中的案例一）。

最差的是源线和保护西安在同一侧，而ESD抑制器在另一侧，必须要避免这种情况（下图中的案例二）。在这种情况下，最好使用另一个过孔在ESD抑制器之后连接受保护线路，而不是直接将ESD源直接连接到受保护线路（下图中案例3）。

挣钱去添加过孔以减少 ESD 对受保护线路的影响

6、适当的接地布线

在上面的内容中已经有说明，我们需要降低源极和TVS二极管之间的走线电感，将电压脉冲远离我们需要保护的IC，在那里我们是假定ESD抑制器具有良好的接地。但实际上，ESD源TVS二极管之间或者TVS二极管和地之间可能存在一些电感，如下图所示：

抑制器上的寄生电感可以将更多的 ESD 电压引导回 IC

我们可以通过将 TVS 放置在尽可能靠近信号源的位置来降低 L3。为了减少 L4，我们使用过孔将 TVS 接地引脚直接连接到接地层。如果无法直接连接，则在通往地平面的走线上并联使用多个过孔。

这样的话应该让每个过孔和焊盘尺寸上的钻孔直径更大，以增加表面积（以对抗集肤效应）。TVS 抑制器上的接地过孔应填充非导电材料，以保持较大的表面积。

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