这6种ESD保护方法，经常在PCB布局中使用！

高级技术文章：ESD保护与PCB设计


引言


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ESD（Electrostatic Discharge，静电放电）是电子设备面临的一个重要问题，特别是对于半导体器件和集成芯片。ESD不仅可能导致设备初期性能下降，甚至直接造成损坏，其危害性质在消费电子产品中尤为显著。本文将深入探讨ESD的性质、影响及其如何在PCB设计中得到有效的防护。

一、ESD的定义与影响

ESD现象由材料摩擦或感应产生，导致物体表面形成电荷积累。当存在电压差时，电荷会通过电流流动，恢复电荷平衡。这种瞬时电流流动构成了ESD。对于消费类电子产品，空气中介质击穿通常发生在电场强度高于40 kV/cm时，其随之而来的往往是高难度的电信号干扰及对电子元件的潜在损害。

ESD对PCB的影响


ESD损害主要通过以下方式显现：

1. 高温产生：大电压差会产生高电流脉冲，电流的传导导致PCB及其元器件表面产生大量热量。

2. 伤害芯片：许多现代芯片采用光刻工艺制造，其不能承受高电压降。哪怕是微小的电压超过工作电压的DC值，也可能对芯片造成影响。

3. ESD事件的常见位置：在PCB设计中，ESD保护措施应重点考虑集成电路、连接器、开关等位置。

二、ESD保护策略与电路设计


ESD抑制元件的应用


ESD保护通常依赖于互补的硬件措施，包括：

1. TVS二极管：最早期和最常见的抑制元件，特别是差分I/O上的TVS二极管。

2. 瞬态抑制二极管（TVS）：二极管的设计可限制或引导ESD电流。单向及双向TVS在ESD保护中均有重要作用。

3. 过压保护器（如TISP4350）：其设计能提供一定程度的通用过电压保护。

4. 辅助ESD抑制组合：气体放电管与TVS二极管并联使用，可进一步减弱ESD脉冲的效果。

PCB布局与设计关键要素


PCB布局是实现ESD有效防护的关键：

1. 阻抗优化：通过合理设计ESD源与抑制器之间的路径，控制导线电感，确保电流尽量流向抑制器。

2. 抵抗电磁干扰（EMI）：通过直线布线减小弯角以减少ESD脉冲的辐射，并确保抑制器与敏感电路隔离。

3. 战略性地使用VIA：VIA（Vertical Via）的设计务必减少其对ESD路径的影响，避免电流分流至组件寿命更长的区域。

4. 抑制器位置：ESD抑制器应尽可能靠近潜在的ESD触发点，以减少电压浪涌幅度。

5. 过孔管理：避免过孔导致的电流耦合效应，确保ESD电流尽量导向抑制器。


6. 充分接地：保证抑制器与地面的良好连接，减少ESD能量回流至敏感电路。


三、案例研究：气体放电管+TVS二极管应用

结合TVS二极管与针对ESD高击穿电平设计的气体放电管，能够形成强大的ESD保护屏障。这种设计需要：

互补方案：添加一个额外电阻或其他组件以提供额外的电流限制和电压衰减。

优化布局：确保气体放电管的位置使得大部分能量流向气体放电管而不是直接途径敏感电路，或通过RL滤波器降低ESD脉冲幅度。

此设计不但能够应对高电压ESD事件，还将能量分布控制在更为安全且易于管理的水平，确保芯片和其他关键组件的安全。