这6种ESD保护方法,经常在PCB布局中使用!

2023-08-03 13:37:09 徐继 121

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。

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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。

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集成电路封装(左)和管芯(右)上的极端 ESD 损坏

 

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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采用TVS二极管和气体放电管的ESD保护电路设计

 

四、PCB布局中的ESD保护


1、优化 TVS 周围的阻抗

 

所有 PCB 元件和走线都有寄生电感。在典型的保护方案中,有四个:ESD 源 和 TVS 阵列之间的电感(L1 和 L2)、TVS 和地之间的电感(L3)以及 TVS 和受保护集成电路之间的电感.。

 

只有当 L4 大于 L1-3 时,ESD 电流才能被强制接地。

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优化 TVS 周围的阻抗

 

下图显示了一个项目的PCB布局。从下图中可以看出来,PCB的这一部分有一个USB端口,为了保护 FT231X UART (U1),我们在它和端口之间的路径上放置了一个 USBLC6-4SC6 ESD 抑制器 (U2)。

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PCB ESD保护布局

 

这里有2点需要注意:

 

抑制器 (U2) 放置在靠近 ESD 源(USB 端口)的位置,电感 L4 变得比 L1 大得多,这迫使 ESD 电流流向 TVS。

 

抑制器直接放置在从 ESD 源到受保护 IC 的路径上,从而完全移除 L2。

 

2、限制静电放电的 EMI

 

ESD 产生强电压脉冲,可对附近的其他信号线产生电磁干扰 (EMI)。辐射的主要来源位于 ESD 源和用作天线的抑制器之间。

 

如果可能,在设计上应该使抑制器区域远离其他电路和未受保护的走线,否则它们会将 ESD 信号传送到其他 IC。即使不考虑每条线路的电感,受保护线路和相邻的未受保护线路也可以充当电容,从而允许电压浪涌在两条线路之间传递。下图说明了 ESD 脉冲如何耦合到未受保护的线路:

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ESD 耦合到附近的走线,因为这两条走线就像一个电容

 

限制 EMI 的另一种方法是使用直线和短路径,因为拐角会辐射 EMI。在这种情况下,使用直线是不可能的。相反,我们使用了 45° 弯曲。

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PCB ESD保护电路布局


3、正确使用VIA

 

在多层 PCB 中,过孔可以用作带有寄生电感,减少不必要走线。下图中,ESD源和受保护IC在同一层,而TVS在另一层,在这里,VIA 作为 L2 工作,导致 ESD 电流在 TVS 和 IC 之间分流,因此必须要避免这种布局。

 

在这种情况下,尽管 TVS 在其路径上,但一部分 ESD 电流将流向受保护的 IC。

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PCB 最差布局

 

理想情况下,ESD 源和 TVS 应该放在同一层,如下图所示。这样,ESD 电流先流过 TVS 保护引脚,然后再通过 VIA 流向受保护电路。在这种情况下,TVS 直接位于从 ESD 源到受保护电路的路径上。

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用于ESD保护的最佳PCB布局

 

在这个特殊的 PCB 设计中,ESD 源(USB 连接器)在两个不同的层上有两条走线。但是将ESD源和TVS放同一个水平面是不可能的,因此采用了一个可以接受的布局。

 

这里也可能会遇到一种相反的情况:TVS 和受保护的 IC 位于同一层,但 ESD 源(来自 USB 的两条走线)位于不同的层。虽然如此,但这样设计VIA也是正确的,因为TVS 保护引脚会在 ESD 电流流向 IC 之前接收它。

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用于ESD保护的VIA布局

 

如果无法实现理想的布局,可接受的折中方案是按以下方式将 ESD 电流强制流向 TVS:虽然这种布线对于 ESD 保护来说并不完美,但如果没有其他选择,也可以采用这个方式。

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使用VIAS妥协路由

 

4、放置ESD 抑制器

 

选择与电路电气特性兼容的 ESD 抑制器后,下一个需要考虑的是放在哪里。放置时应使 IC 在发生 ESD 时接收到尽可能低的电压浪涌。

 

对于中频信号和典型的 ESD 脉冲,PCB 走线就像电感一样,意味着它们的阻抗随频率 (ωL) 增加。带有 TVS 二极管的电路现在如下所示:

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线路电感对 ESD 的影响

 

从上图中我们可以清楚的看到,当L2>>L1时,二极管会快速触发。这也意味着大部分电流将被引导离开受保护线路,L2 还将耗散留在受保护线路上的任何 ESD。

 

这意味着我们需要将 TVS 二极管放置在尽可能靠近可能发生 ESD 的位置。ESD 抑制器连接到线路或地的电感应该最小。ESD脉冲的能量随着走线长度的增加而降低,因此ESD抑制器与被保护IC之间的走线长度应尽可能长。

 

5、ESD 源和抑制器之间正确添加过孔

 

如果 ESD 源和抑制器之间有过孔,过孔也会导致耦合到未受保护的线路。理想情况下,ESD 源和抑制器之间不应有任何过孔,因为它会增加线路的长度,从而导致线路上的电感增加。这有两个不利影响:

 

会增加被保护线路中的ESD脉冲能量

 

会通过 EMI 增加未受保护的线路产生的信号

 

如果工程师没有其他办法,必须要添加过孔,那么就必须要确保保护线和抑制器在PCB的同一个侧,且源极在过孔后连接保护线(下图中的案例一)。

 

最差的是源线和保护西安在同一侧,而ESD抑制器在另一侧,必须要避免这种情况(下图中的案例二)。在这种情况下,最好使用另一个过孔在ESD抑制器之后连接受保护线路,而不是直接将ESD源直接连接到受保护线路(下图中案例3)。

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争取去添加过孔以减少 ESD 对受保护线路的影响

 

6、适当的接地布线

 

在上面的内容中已经有说明,我们需要降低源极和TVS二极管之间的走线电感,将电压脉冲远离我们需要保护的IC,在那里我们是假定ESD抑制器具有良好的接地。但实际上,ESD源TVS二极管之间或者TVS二极管和地之间可能存在一些电感,如下图所示:

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抑制器上的寄生电感可以将更多的 ESD 电压引导回 IC

 

我们可以通过将 TVS 放置在尽可能靠近信号源的位置来降低 L3。为了减少 L4,我们使用过孔将 TVS 接地引脚直接连接到接地层。如果无法直接连接,则在通往地平面的走线上并联使用多个过孔。

 

这样的话应该让每个过孔和焊盘尺寸上的钻孔直径更大,以增加表面积(以对抗集肤效应)。TVS 抑制器上的接地过孔应填充非导电材料,以保持较大的表面积。


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