掌握这 6 种 ESD 保护方法，优化 PCB 布局设计

在电子设备的设计与制造中，PCB（印刷电路板）的稳定性和可靠性至关重要。而 ESD（静电放电）作为一个潜在的威胁，可能会对 PCB 造成严重的损害。因此，了解 ESD 以及如何在 PCB 布局中进行有效的保护是非常必要的。

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 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

静电在日常生活中较为常见，但其静电荷电压可达数千伏，会对元件造成巨大危害。当电压差足够大时，会形成电流传导路径，产生巨大电流脉冲。随着电流脉冲的发展，高热量会在 PCB 的元件和导体内消散。在极端场强和电流作用下，PCB 可能损坏，组件可能毁坏。这种散热本质上是 IR 压降，PCB 中元件的自然直流电阻会产生压降并使温度升高。ESD 可能发生在 PCB 上的一些常见位置，如集成电路和连接器等，因此 PCB 中的 ESD 保护应重点关注特定区域。

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。

三、ESD 保护电路设计

1.TVS 二极管和二极管电路

1).典型的电压钳位二极管电路：

主要用于限制缓冲器输入端的电压累积。正常情况下，二极管反向偏置，当输入电压大于电源轨电压或低于地时，相应二极管正向偏置并导通。该电路可使用简单二极管或 TVS 二极管，选择的主要因素是击穿电压和正向电流。TVS 二极管在正常工作时为开路，发生 ESD 浪涌时为接地短路。

2).单向瞬态抑制二极管：

在 ESD 的正周期，二极管反向偏置并以雪崩模式运行，使 ESD 电流从输入端流向地；负周期时，二极管正向偏置并传导 ESD 电流。通过阻止或允许 ESD 电流流动来保护电路。

3).双向瞬态抑制二极管：

在瞬态 ESD 的正周期，两个二极管一个正向偏置导通，另一个反向偏置以雪崩模式工作，形成从 ESD 源到地的路径；负周期时，二极管交换模式，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一定程度的通用保护。保护装置的选择取决于电压范围、工作电压、事件持续时间、响应时间等因素。

3.其他 ESD 抑制器组件

除上述外，还有多层变阻、气体放电管和基于聚合物的抑制器等。这些抑制器组件用于将 ESD 电压降低到特定限值以下，保护电路或组件组。它们通常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，相关电路示例一般可在 datasheet 上找到。

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 二极管构成低通 RL 电路，提供额外滤波并减慢 ESD 脉冲的上升时间。该电路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额外保护。

四、PCB 布局中的 ESD 保护

◆优化 TVS 周围的阻抗：所有 PCB 元件和走线都有寄生电感。在典型保护方案中，有 ESD 源和 TVS 阵列之间、TVS 和地之间、TVS 和受保护集成电路之间的电感。只有当 TVS 和受保护集成电路之间的电感大于其他电感时，ESD 电流才能被强制接地。在实际布局中，应将抑制器放置在靠近 ESD 源的位置，并直接放在从 ESD 源到受保护 IC 的路径上。

◆限制静电放电的 EMI：ESD 产生的强电压脉冲会对附近的其他信号线产生电磁干扰（EMI）。辐射主要来源位于 ESD 源和抑制器之间，设计上应使抑制器区域远离其他电路和未受保护的走线，避免 ESD 信号传送到其他 IC。此外，可使用直线和短路径，减少拐角辐射的 EMI，若无法使用直线，可采用 45° 弯曲。

◆正确使用 VIA：在多层 PCB 中，过孔可作为带有寄生电感的元件，减少不必要走线。但应避免 ESD 源和受保护 IC 在同一层，而 TVS 在另一层的布局，理想情况下，ESD 源和 TVS 应放在同一层，使 ESD 电流先流过 TVS 保护引脚，再通过 VIA 流向受保护电路。

◆放置 ESD 抑制器：选择与电路电气特性兼容的 ESD 抑制器后，应将其放置在使 IC 在发生 ESD 时接收到尽可能低电压浪涌的位置。对于中频信号和典型的 ESD 脉冲，PCB 走线的阻抗随频率增加，应将 TVS 二极管放置在尽可能靠近可能发生 ESD 的位置，同时使 ESD 抑制器与被保护 IC 之间的走线长度尽可能长。

◆ESD 源和抑制器之间正确添加过孔：ESD 源和抑制器之间的过孔会导致耦合到未受保护的线路，理想情况下不应有过孔。若必须添加，应确保保护线和抑制器在 PCB 的同一侧，且源极在过孔后连接保护线，避免源线和保护线在同一侧，而 ESD 抑制器在另一侧的情况。

◆适当的接地布线：需要降低源极和 TVS 二极管之间的走线电感，将电压脉冲远离需要保护的 IC。可通过将 TVS 放置在尽可能靠近信号源的位置降低 L3，使用过孔将 TVS 接地引脚直接连接到接地层减少 L4。若无法直接连接，可在通往地平面的走线上并联使用多个过孔，并增大每个过孔和焊盘尺寸上的钻孔直径，以增加表面积。TVS 抑制器上的接地过孔应填充非导电材料，保持较大的表面积。

在 PCB 布局中，合理运用这些 ESD 保护方法，可以有效降低 ESD 对 PCB 的影响，提高电子设备的稳定性和可靠性。