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。

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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。

集成電路封裝（左）和管芯（右）上的極端 ESD 損壞 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。

連接器上的金屬護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。因此必須在設(shè)計早期就考慮到ESD保護電路。

三、ESD保護電路設(shè)計

1、TVS 二極管和二極管電路

TVS 二極管保護電路是非工業(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 保護元件相比，TVS 浪涌二極管保護器可以提供更高的電壓抑制，如下例所示。 下圖為ESD 保護電路示例，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 保護電路中使用的齊納二極管。

單端緩沖器 I/O 上的 ESD 保護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。

下圖為受保護組件電源軌上的單向 TVS 抑制二極管。

受保護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 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。

下圖為受保護組件電源軌上的雙向 TVS 抑制二極管。

受保護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 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。 ?

2、使用 TISP4350 過壓保護器代替 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。

使用 TISP4350 過壓保護器代替 TVS 二極管 ? 保護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。 下圖為采用TVS二極管和氣體放電管的ESD保護電路設(shè)計。

采用TVS二極管和氣體放電管的ESD保護電路設(shè)計

四、PCB布局中的ESD保護

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 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 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)域遠離其他電路和未受保護的走線，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，受保護線路和相鄰的未受保護線路也可以充當(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 保護引腳，然后再通過 VIA 流向受保護電路。在這種情況下，TVS 直接位于從 ESD 源到受保護電路的路徑上。

用于ESD保護的最佳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 保護引腳會在 ESD 電流流向 IC 之前接收它。

用于ESD保護的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)離開受保護線路，L2 還將耗散留在受保護線路上的任何 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：

會增加被保護線路中的ESD脈沖能量

會通過 EMI 增加未受保護的線路產(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線和抑制器在PCB的同一個側(cè)，且源極在過孔后連接保護線（下圖中的案例一）。 最差的是源線和保護西安在同一側(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線路，而不是直接將ESD源直接連接到受保護線路（下圖中案例3）。

掙錢去添加過孔以減少 ESD 對受保護線路的影響 ?

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，將電壓脈沖遠離我們需要保護的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：劉清