ESD保护电路原理图 ESD保护电路设计及PCB布局注意点

第第页ESD保护电路原理图ESD保护电路设计及PCB布局注意点一、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40kV/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。

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。

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PCBESD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（TI）SP4350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USBLC6-4SC6ESD抑制器(U2)。

PCBESD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。

PCBESD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