电路设计中瞬态过压保护：三大疑问全解读

在当今的电路设计领域，瞬态过压保护是一个至关重要的环节。许多硬件工程师在实际工作中常常会遇到一些关于瞬态过压保护的疑问，下面我们就来详细解答其中最常出现的三个问题。

必须要保护器件来应对 ESD 吗？

“是否真的需要电路保护器件来保护电路免受静电放电 (ESD) 的影响？” 这是众多硬件工程师都会面临的问题。如今，电路中普遍存在 I/O 接口，这些接口由集成 IC 驱动。虽然这些 IC 功能强大，但它们对瞬态过应力（如静电放电）的耐受能力却明显降低。因此，保护连接到产品 I/O 接口的 IC 免受瞬态过应力的影响就显得尤为重要。从电子电路的原理来看，静电放电产生的瞬间高压可能会击穿 IC 内部的微小结构，导致 IC 损坏，进而影响整个电路的正常运行。所以，针对瞬态过压保护的设计是必不可少的。

芯片手册中的 ESD 防护能力 2kV 够吗？

从专业角度而言，芯片手册中提到的 2kV ESD 防护能力是不够的。为了确保芯片在制造过程中不被 ESD 损坏，芯片厂家通常会在芯片的 I/O 单元设计 ESD 保护结构。这种 “芯片内” 的保护主要是应对生产 / 制造过程中人或机器产生的静电危害。

目前有几种不同的ESD标准，每一种标准都描述了适用于特定ESD环境的防护级别。对于器件级的ESD，一般采用的是JESD22-A114E标准。这是JEDEC中定义的人体模型（HBM）标准，芯片厂家在开发其芯片时是依据这一标准来设计的。这个标准目的就是确保在制造过程中让IC得到所需的最低限度的芯片内的保护。

相比之下，在系统级的电路设计就不再考虑JESD22-A114E，而是考虑完全不同的标准，即IEC61000-4-2。IEC61000-4-2描述并模拟了在系统环境中遇到的ESD威胁，为了模拟更接近“真实世界”的系统的ESD威胁，IEC标准是一个更严格的ESD测试。IEC规定了针对不同威胁级别的4种接触测试电压：±2kV、±4kV、±6kV、±8kV，峰值放电电流可高达30A。 JEDEC和IEC标准要求的峰值脉冲电流水平是不同的，如下表所示：

所以，尽管 IC 在芯片级提供了 2kV ESD 保护，但在实际应用中远远不够。为了确保系统的稳定性和可靠性，需要采用符合 IEC61000 - 4 - 2 标准的系统级 ESD 保护措施。

TVS 器件的 PCB 布局怎么做效果最好？

在设计电路板布局时，优化 TVS 器件的放置是关键问题，尤其是对于瞬态过压的保护效果而言。当处理 ESD（静电放电）时，抑制初始瞬态尖峰的电压大小也依赖于 PCB 布局的优劣。即使是非常出色的保护电路，如果 PCB 布局不佳，保护效果也会大打折扣。具体来说，有以下几点布局建议：

1.靠近接口连接器放置：尽可能将 TVS 元件放置在接口连接器附近。这样做有助于在 ESD 事件发生时，在 PCB 的入口处抑制 ESD，从而减少由 ESD 引起的辐射发射可能产生的其他影响。因为 ESD 产生的干扰如果能在源头附近被抑制，就可以避免其在 PCB 上进一步传播，影响其他电路元件。

2.缩短走线长度：通过缩短从 TVS 器件到被保护 I/O 线的走线长度来最小化寄生电感。例如，如果 ESD 的上升时间为 1ns，那么 30A 脉冲在 1nH 的串联等效电感走线上可以使 TVS 器件的钳位电压提高 30V，从而使 TVS 的钳位电压大大增加，无法实现保护 IC 的目的。

3.直接连接地平面：尽可能将 TVS 器件的接地连接直接连接到地平面。如果需要使用过孔，那就尽可能多使用过孔连接到地平面。这样可以降低寄生电感，提高保护效果。因为良好的接地可以将 ESD 产生的电荷迅速导入大地，减少对电路的影响。

4.考虑等效电容：在高速数字信号上，TVS 器件的等效电容成为一个重要考虑因素。由于电容存在充放电过程，会增大信号的上升时间，所以为了保持信号完整性，在不牺牲钳位性能的情况下，应尽可能选择等效电容最小的器件。

在电路设计中，对于瞬态过压保护的相关问题需要我们深入理解和正确处理，以确保电路的稳定性和可靠性。