深入解析：TVS 布局对静电放电防护效果的关键影响

在当下的电子设备设计中，静电放电防护是至关重要的一环。瞬态电压抑制二极管（TVS）作为一种常用的静电防护器件，广泛应用于各种电源或者信号电路中，用于抑制瞬态过电压。当被保护电路出现瞬态过电压时，TVS 能迅速齐纳击穿，由高阻状态变为低阻状态，对瞬态过电压进行分流和箝位，保护电路中各元件不被瞬间的脉冲电压损坏。TVS 具有响应速度快、反复通断下寿命长、结电容小等优点，在多媒体设备的静电防护、浪涌防护设计中占据着重要地位。

然而，在实际的产品开发设计过程中，即便在 TVS 的选型以及电路原理设计上足够严谨，器件设计参数的裕度也足够充分，但实际测试结果却往往达不到预期。这很可能是在印制板电路的设计中，对 TVS 的布局布线不够完善所致。接下来，我们将对常见的三类问题进行具体描述和仿真分析。

T 型走线的问题

在设计印制电路板时，由于空间限制或其他原因，信号线可能不是直接从 TVS 的焊盘上经过，而是引出一个分叉，经过一段微带线搭到 TVS 的焊盘上。静电泄放具有寻找阻抗最小路径的特性，当微带线超过一定长度时，随着长宽比的增加，在高频状态下就会产生一定的感抗，从而对静电的泄放产生负面影响。

对产品进行静电放电（ESD）管脚注入测试发现，不同的设计会有不同的测试结果。例如，一种设计虽然 8 kV 可以通过测试，但测试过程中屏幕会闪烁，测试之后恢复正常；而另一种设计，8 kV 不仅可以通过测试，而且无异常现象。

为了更深入地分析这个问题，我们进行了仿真。以信号线到 TVS 信号端焊盘之间的导线长度作为参数变量 Length 进行分析。分别设置参数变量 Length 为 10 mil、50 mil 来进行仿真，电压探针的测试结果显示，负载端的最大干扰电压分别为 10.7 V 和 6.3 V。这表明信号线到 TVS 信号端焊盘之间的导线长度越短，负载端接收到的最大干扰电压越小，发生系统性失效的概率也就越小。由此可见，信号线直接经过 TVS 的信号端焊盘，防护效果会更好。

我们还对微带线的寄生电感及感抗进行了简单估算。以 100 MHz 的 ESD 杂讯为例，当 Length = 50 mil（即 1.27 mm）时，感抗相当于在静电的低阻抗泄放路径上增加了 0.37 Ω 的串接电阻，会对静电的有效泄放带来一定的负面影响。

TVS 地端焊盘到地过孔的距离问题

在设计印制电路板时，如果 TVS 地端的焊盘没有就近打过孔，而是经过一段微带线打过孔到内层地，同样会因为 TVS 路径上走线较长，导致高频特性阻抗偏大，不利于静电的泄放，从而引起经过信号路径上的静电能量较大，甚至超过负载端的承受范围，引起功能异常。

对产品进行 ESD 管脚注入测试发现，不同的设计在不同电压下会出现不同的情况。一种设计在 6.5 kV 就会出现功能异常，外部端口已经不能识别；而另一种设计，8 kV 是可以通过的。

同样，我们通过仿真进行分析。以防护器件 TVS 的地端焊盘到地过孔之间的导线长度作为参数变量 Dis 进行分析。分别设置参数变量 Dis 为 40 mil、80 mil、120 mil 来进行仿真，电压探针的测试结果表明，防护器件 TVS 的地端焊盘到地过孔之间的导线长度越短，负载端接收到的最大干扰电压越小，发生系统性失效的概率也就越小。由此可见，TVS 地端焊盘到地过孔之间距离越短，防护效果越好。

TVS 和电容、磁珠协同工作的问题

在音频模块等采用模拟信号的数据传输中，由于模拟信号的抗干扰能力弱于数字信号，所以在模拟信号的抗干扰电路设计上，除了 TVS 之外，还会加上去耦电容和铁氧体磁珠作为二级滤波单元和三级滤波单元。

对产品进行 ESD 管脚注入测试发现，不同的防护电路布局设计会有不同的测试结果。一种设计 8 kV 时可以通过测试；而另一种设计，7 kV 时就会出现功能异常，设备声音丢失，需要重启才可恢复。

经分析，这与以下因素有关：

1.TVS 和电容响应时间差异：TVS 的响应时间可以达到 ps 级，而电容的响应时间是 ns 级。如果 TVS 和电容紧挨着摆放，经 TVS 泄放之后的主线路上的静电干扰信号，未及电容响应就已经传递到后端。

2.TVS 的地端和电容的地端距离太近：经 TVS 泄放的静电干扰信号，部分能量会经电容回流到信号线上，影响防护效果。

3.滤波电路组态问题：LC 型和 CL 型滤波电路应用效果存在差异。

本案例选用了某型号 3300 pF 容值的多层陶瓷电容器和 600 Ω 的铁氧体磁珠，已知静电干扰信号的能量主要集中在 30 - 500 MHz，在此频段内，所选电容的阻抗在 1 Ω 以下，所选磁珠的阻抗在 300 Ω 以上。而本案例的负载在 10 Ω 量级，考虑到源端静电发生电路的内阻以及测试辅助工具引入的阻抗，源端阻抗是远大于负载端的，选择 LC 型的滤波设计效果更优。

通过仿真分析，不同的设计在负载端产生的干扰电压不同。一种设计仿真得到的负载端干扰电压最大值约 0.8 V；另一种设计仿真得到的负载端干扰电压最大值约 1.6 V。由此可见，即使 TVS 的选型和布局设计一致，若后端的滤波电路设计有差异，也会影响该信号线路的整体防护效果。所以，在做防护电路设计时，要注意 TVS、电容、磁珠等器件的协同工作，才可以达到更好的防护效果。

结论

通过理论研究、实际测试以及仿真分析，我们可以得出以下结论：

(1).要尽量减小 TVS 信号端及接地端的引线长度，减小引线的感抗。建议 TVS 信号端引脚到被保护信号线之间的引线长度不超过 20 mil，TVS 接地端引脚到地过孔的距离不超过 50 mil。

(2).为达到最佳防护效果，TVS 配合电容、磁珠等器件进行 ESD 防护时，要注意器件的组态和摆放位置。TVS 和电容尽量分开接地，TVS 靠近外部接口摆放，距离接口位置不大于 200 mil。当负载端（被保护芯片）阻抗较大时，建议电容靠近负载端摆放，当源端（静电信号注入端）阻抗较大时，建议电容靠近源端摆放。