一文總結(jié)，6種ESD保護(hù)電路PCB布局

皇華電子元器件IC供應(yīng)商 2024-09-05 15:34

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今天主要是關(guān)于：什么是ESD？如何防止ESD?

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(shí)，物體都會(huì)在其表面形成固定電荷（靜電）。當(dāng)這個(gè)物體放置得太靠近另一個(gè)帶電物體或材料時(shí)，電壓差會(huì)導(dǎo)致電流在它們之間流動(dòng)，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(shí)電流流動(dòng)。

對(duì)于消費(fèi)類產(chǎn)品，ESD 和空氣中的介質(zhì)擊穿通常發(fā)生在兩點(diǎn)之間的電場(chǎng)大于 40 kV/cm 時(shí)。氣壓、溫度和濕度等因素會(huì)影響電場(chǎng)強(qiáng)度。例如，某些環(huán)境中的高濕度會(huì)導(dǎo)致空氣更具導(dǎo)電性，這會(huì)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(jiàn)，但是靜電荷的電壓可以達(dá)到幾千伏，可以對(duì)元件造成很大的危害。

當(dāng)這個(gè)電壓差足夠大時(shí)，就會(huì)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(huì)在 PCB 本身的元件和導(dǎo)體內(nèi)消散。在極端場(chǎng)強(qiáng)和產(chǎn)生的電流下，PCB 可能會(huì)損壞，組件可能會(huì)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(huì)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(jiàn)位置，因此?PCB 中的 ESD 保護(hù)應(yīng)重點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致電流流過(guò)集成電路上的管芯，產(chǎn)生會(huì)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(shuō)可能只是高于工作電壓的DC值，也會(huì)對(duì)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(huì)給設(shè)備帶來(lái)靜電風(fēng)險(xiǎn)。由于浮動(dòng)導(dǎo)體上靜電荷傳遞，浮動(dòng)引腳可能會(huì)產(chǎn)生ESD。最后當(dāng)連接器插入插座時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生ESD，從而產(chǎn)生火花。

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

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

處理浮動(dòng)引腳的簡(jiǎn)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(guò)電容提供此連接，也不通過(guò) PCB 將 ESD 電流路由到地。

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

三、ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)

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(jiàn)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(huì)正向偏置并導(dǎo)通。類似地，當(dāng)輸入電壓低于地時(shí)，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(jiǎn)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(kāi)路，并且在發(fā)生 ESD 浪涌時(shí)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(jiǎn)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\(yùn)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(guò)阻止或允許 ESD 電流流動(dòng)，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(gè)簡(jiǎn)單的布置，如果需要額外的電流限制，可以添加一個(gè)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(gè)二極管中的一個(gè)正向偏置，另一個(gè)反向偏置，這意味著一個(gè)二極管由于其正向偏置而導(dǎo)通，而另一個(gè)二極管則以雪崩模式工作。通過(guò)這種方式，兩個(gè)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(guò)壓保護(hù)器代替 TVS 二極管

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

使用 TISP4350 過(guò)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(hào)和類型針對(duì)不同的電壓范圍、工作電壓、事件持續(xù)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間等而設(shè)計(jì)。

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(lái)說(shuō)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(gè)低通 RL 電路，提供額外的濾波并減慢 ESD 脈沖的上升時(shí)間。

下面這個(gè)電路基本上是一個(gè)具有大時(shí)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(guò)，同時(shí)為通過(guò)放電管的 ESD 電流提供高阻抗。輸入端的保險(xiǎn)絲提供了針對(duì)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(jì)。

采用TVS二極管和氣體放電管的ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)

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(gè)：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(shí)，ESD 電流才能被強(qiáng)制接地。

優(yōu)化 TVS 周圍的阻抗

下圖顯示了一個(gè)項(xiàng)目的PCB布局。從下圖中可以看出來(lái)，PCB的這一部分有一個(gè)USB端口，為了保護(hù) FT231X UART (U1)，我們?cè)谒投丝谥g的路徑上放置了一個(gè) USBLC6-4SC6 ESD 抑制器 (U2)。

PCB ESD保護(hù)布局

這里有2點(diǎn)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(qiáng)電壓脈沖，可對(duì)附近的其他信號(hào)線產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。輻射的主要來(lái)源位于 ESD 源和用作天線的抑制器之間。

如果可能，在設(shè)計(jì)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(huì)將 ESD 信號(hào)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(shuō)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?yàn)檫@兩條走線就像一個(gè)電容

限制 EMI 的另一種方法是使用直線和短路徑，因?yàn)楣战菚?huì)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(guò)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(guò) TVS 保護(hù)引腳，然后再通過(guò) 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(gè)特殊的 PCB 設(shè)計(jì)中，ESD 源（USB 連接器）在兩個(gè)不同的層上有兩條走線。但是將ESD源和TVS放同一個(gè)水平面是不可能的，因此采用了一個(gè)可以接受的布局。

這里也可能會(huì)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(lái)自 USB 的兩條走線）位于不同的層。雖然如此，但這樣設(shè)計(jì)VIA也是正確的，因?yàn)門VS 保護(hù)引腳會(huì)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(wú)法實(shí)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(qiáng)制流向 TVS：雖然這種布線對(duì)于 ESD 保護(hù)來(lái)說(shuō)并不完美，但如果沒(méi)有其他選擇，也可以采用這個(gè)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(gè)需要考慮的是放在哪里。放置時(shí)應(yīng)使 IC 在發(fā)生 ESD 時(shí)接收到盡可能低的電壓浪涌。

對(duì)于中頻信號(hào)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(duì) ESD 的影響

從上圖中我們可以清楚的看到，當(dāng)L2>>L1時(shí)，二極管會(huì)快速觸發(fā)。這也意味著大部分電流將被引導(dǎo)離開(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)度應(yīng)盡可能長(zhǎng)。

5、ESD 源和抑制器之間正確添加過(guò)孔

如果 ESD 源和抑制器之間有過(guò)孔，過(guò)孔也會(huì)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(guò)孔，因?yàn)樗鼤?huì)增加線路的長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致線路上的電感增加。這有兩個(gè)不利影響：

會(huì)增加被保護(hù)線路中的ESD脈沖能量
會(huì)通過(guò) EMI 增加未受保護(hù)的線路產(chǎn)生的信號(hào)

如果工程師沒(méi)有其他辦法，必須要添加過(guò)孔，那么就必須要確保保護(hù)線和抑制器在PCB的同一個(gè)側(cè)，且源極在過(guò)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(gè)過(guò)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(guò)孔以減少 ESD 對(duì)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(shuō)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(shí)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(guò)將?TVS 放置在盡可能靠近信號(hào)源的位置來(lái)降低 L3。為了減少 L4，我們使用過(guò)孔將 TVS 接地引腳直接連接到接地層。如果無(wú)法直接連接，則在通往地平面的走線上并聯(lián)使用多個(gè)過(guò)孔。

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

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一文總結(jié)，6種ESD保護(hù)電路PCB布局

一、什么是ESD?

二、ESD如何影響PCB？

三、ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)

四、PCB布局中的ESD保護(hù)

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