一、什么是ESD?

ESD代表靜電放電。許多材料可以導電并積累電荷。ESD 是由于摩擦帶電（材料之間的摩擦）或靜電感應而發(fā)生的。每當發(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 )導致電流在它們之間流動(dòng)，直到恢復電荷平衡。

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)。

對于消費類(lèi)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)強度。例如，某些環(huán)境中的高濕度會(huì )導致空氣更具導電性，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到幾千伏，可以對元件造成很大的危害。

當這個(gè)電壓差足夠大時(shí)，就會(huì )有電流的傳導路徑，從而產(chǎn)生巨大的電流脈沖。隨著(zhù)電流脈沖的發(fā)展，高熱量會(huì )在 PCB 本身的元件和導體內消散。在極端場(chǎng)強和產(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 保護應重點(diǎn)放在某些特定區域。如下例如：

1、集成電路中的ESD

ESD 脈沖會(huì )導致電流流過(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體芯片上的走線(xiàn)。

集成電路封裝（左）和管芯（右）上的極端 ESD 損壞

尤其是現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致ESD。有人插入芯片，拔出電纜或者按下按鈕都會(huì )給設備帶來(lái)靜電風(fēng)險。由于浮動(dòng)導體上靜電荷傳遞，浮動(dòng)引腳可能會(huì )產(chǎn)生ESD。最后當連接器插入插座時(shí)，可能會(huì )產(chǎn)生ESD，從而產(chǎn)生火花。

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

連接器上的金屬護罩和浮動(dòng)引腳是某些消費和工業(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。屏蔽連接器還應具有連接到機箱的接地屏蔽層，并最終連接到大地。應該是直接連接到底盤(pán)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 設計的幾乎每個(gè)元素（走線(xiàn)、布線(xiàn)、層、電子元件放置和間距）都會(huì )影響電路板上的 PCB ESD 保護。因此必須在設計早期就考慮到ESD保護電路。

三、ESD保護電路設計

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(huì )正向偏置并導通。類(lèi)似地，當輸入電壓低于地時(shí)，二極管 D2 正向偏置并從地向輸入導通。

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(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(lèi)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(lèi)型，兩種類(lèi)型的 TVS 二極管都在正常工作條件下充當開(kāi)路，并且在發(fā)生 ESD 浪涌時(shí)充當接地短路。

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(jiǎn)單的齊納二極管，也可以是專(zhuān)門(mén)作為 TVS 二極管銷(xiāo)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?ESD 電流。

單向 TVS 二極管保護電路免受 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 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(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(zhù)一個(gè)二極管由于其正向偏置而導通，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 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(guò)壓保護器代替 TVS 二極管

這種電路專(zhuān)為電信線(xiàn)路上的過(guò)壓而設計。與 TVS 二極管陣列相比，TISP4 針對 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。

使用 TISP4350 過(guò)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(lèi)型針對不同的電壓范圍、工作電壓、事件持續時(shí)間、響應時(shí)間等而設計。

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(xiàn)路，將低 ESD 電壓保持在一定限度內，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)間常數的低通濾波器，因此該電路將允許標稱(chēng)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保護電路設計。

采用TVS二極管和氣體放電管的ESD保護電路設計

四、PCB布局中的ESD保護

1、優(yōu)化 TVS 周?chē)淖杩?/strong>

所有 PCB 元件和走線(xiàn)都有寄生電感。在典型的保護方案中，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 和受保護集成電路之間的電感.。

只有當 L4 大于 L1-3 時(shí)，ESD 電流才能被強制接地。

優(yōu)化 TVS 周?chē)淖杩?/p>

下圖顯示了一個(gè)項目的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 FT231X UART (U1)，我們在它和端口之間的路徑上放置了一個(gè) USBLC6-4SC6 ESD 抑制器 (U2)。

PCB ESD保護布局

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 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(xiàn)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(xiàn)的抑制器之間。

如果可能，在設計上應該使抑制器區域遠離其他電路和未受保護的走線(xiàn)，否則它們會(huì )將 ESD 信號傳送到其他 IC。即使不考慮每條線(xiàn)路的電感，受保護線(xiàn)路和相鄰的未受保護線(xiàn)路也可以充當電容，從而允許電壓浪涌在兩條線(xiàn)路之間傳遞。下圖說(shuō)明了 ESD 脈沖如何耦合到未受保護的線(xiàn)路：

ESD 耦合到附近的走線(xiàn)，因為這兩條走線(xiàn)就像一個(gè)電容

限制 EMI 的另一種方法是使用直線(xiàn)和短路徑，因為拐角會(huì )輻射 EMI。在這種情況下，使用直線(xiàn)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(guò)孔可以用作帶有寄生電感，減少不必要走線(xiàn)。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 應該放在同一層，如下圖所示。這樣，ESD 電流先流過(guò) TVS 保護引腳，然后再通過(guò) 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(gè)特殊的 PCB 設計中，ESD 源（USB 連接器）在兩個(gè)不同的層上有兩條走線(xiàn)。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 和受保護的 IC 位于同一層，但 ESD 源（來(lái)自 USB 的兩條走線(xiàn)）位于不同的層。雖然如此，但這樣設計VIA也是正確的，因為T(mén)VS 保護引腳會(huì )在 ESD 電流流向 IC 之前接收它。

用于ESD保護的VIA布局

如果無(wú)法實(shí)現理想的布局，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(xiàn)對于 ESD 保護來(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)應使 IC 在發(fā)生 ESD 時(shí)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(xiàn)就像電感一樣，意味著(zhù)它們的阻抗隨頻率 (ωL) 增加。帶有 TVS 二極管的電路現在如下所示：

線(xiàn)路電感對 ESD 的影響

從上圖中我們可以清楚的看到，當L2>>L1時(shí)，二極管會(huì )快速觸發(fā)。這也意味著(zhù)大部分電流將被引導離開(kāi)受保護線(xiàn)路，L2 還將耗散留在受保護線(xiàn)路上的任何 ESD。

這意味著(zhù)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(xiàn)路或地的電感應該最小。ESD脈沖的能量隨著(zhù)走線(xiàn)長(cháng)度的增加而降低，因此ESD抑制器與被保護IC之間的走線(xiàn)長(cháng)度應盡可能長(cháng)。

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 )導致耦合到未受保護的線(xiàn)路。理想情況下，ESD 源和抑制器之間不應有任何過(guò)孔，因為它會(huì )增加線(xiàn)路的長(cháng)度，從而導致線(xiàn)路上的電感增加。這有兩個(gè)不利影響：

會(huì )增加被保護線(xiàn)路中的ESD脈沖能量

會(huì )通過(guò) EMI 增加未受保護的線(xiàn)路產(chǎn)生的信號

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線(xiàn)和抑制器在PCB的同一個(gè)側，且源極在過(guò)孔后連接保護線(xiàn)（下圖中的案例一）。

最差的是源線(xiàn)和保護西安在同一側，而ESD抑制器在另一側，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線(xiàn)路，而不是直接將ESD源直接連接到受保護線(xiàn)路（下圖中案例3）。

爭取去添加過(guò)孔以減少 ESD 對受保護線(xiàn)路的影響

6、適當的接地布線(xiàn)

在上面的內容中已經(jīng)有說(shuō)明，我們需要降低源極和TVS二極管之間的走線(xiàn)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(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 電壓引導回 IC

我們可以通過(guò)將 TVS 放置在盡可能靠近信號源的位置來(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(xiàn)上并聯(lián)使用多個(gè)過(guò)孔。

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