这6种ESD保护方法,经常在PCB布局中
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。
EDA电子论坛
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ESDESD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PCBESD保护。因此必须在设计早期就考虑到ESD保护电路。
EDA电子论坛
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TISP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TISP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
EDA电子论坛
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FTXUART(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EMIESD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L2L1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。
本文来源于网络免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。如本文所用视频、图片、文字涉及作品版权问题，请在文末留言告知，我们将在第一时间处理！本文内容为原作者观点，并不代表本平台账号赞同其观点和对其真实性负责。
转载请注明：http://www.abuoumao.com/hytd/6118.html
