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(jìn)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 40 kV/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 PCB ESD 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 TISP4350 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