干貨 | 電路設(shè)計(jì)中如何減少ESD？

今天給大家分享的是：在電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)如何防止ESD損壞設(shè)備。

在電子行業(yè)中，保護(hù)設(shè)備免受ESD損壞是必須要注意的。靜電放電（ESD）是一種非常高的電壓尖峰，很容易損壞集成電路和低功率半導(dǎo)體等小信號(hào)元件。

常見的ESD是由人體接觸電子設(shè)備引起的，電荷在人體內(nèi)累積，然后當(dāng)身體接觸到設(shè)備時(shí)，電荷就會(huì)放電，并伴隨著非常高的電壓尖峰。

下面介紹在PCB設(shè)計(jì)中如何減少ESD損害：

一、使用鉗位二極管

鉗位二極管最常用于集成電路中，以保護(hù)器件免受ESD的損壞。微控制器、數(shù)字信號(hào)控制器和處理器都具有內(nèi)部的ESD鉗位二極管。但是在低成本控制器內(nèi)部有時(shí)候會(huì)沒有鉗位二極管，這個(gè)時(shí)候就需要靠近在外部添加一個(gè)鉗位二極管。下圖是IC固有的ESD鉗位二極管。

IC固有的ESD鉗位二極管

正常工作時(shí)，假設(shè)引腳1的電壓預(yù)計(jì)在0-3.3V之間，D1和D2不會(huì)干擾。假設(shè)高電平為3.3V，則D1反偏不導(dǎo)通，另一方面D2也是不導(dǎo)通的，因?yàn)殛帢O連接到VCC，引腳的高電平等于VCC。當(dāng)引腳1中的電壓為0時(shí)，D2反向偏置，D1無偏置。

當(dāng)存在由ESD引起的高壓尖峰時(shí)，二極管會(huì)導(dǎo)通。例如：尖峰非常高，D2將正向偏置，尖峰將轉(zhuǎn)移到VCC，從而保護(hù)IC的內(nèi)部組件。當(dāng)存在非常高的負(fù)尖峰時(shí)，D1將傳導(dǎo)并將尖峰轉(zhuǎn)移到地面。

這里必須要了解清楚你使用的IC是否具有保護(hù)。如果沒有的話，就在外部添加鉗位二極管。如下圖所示:

在外部添加鉗位二極管

如果打算在IC的所有引腳中都添加鉗位二極管的話，那是肯定不行，而且成本也會(huì)很高。通常來說，在產(chǎn)品制造并放入外殼后，IC將不能再用，鉗位二極管需要實(shí)現(xiàn)的特性引腳比較少。當(dāng)然鉗位二極管你可以用硅二極管或者肖特基二極管。

下面是通常需要鉗位二極管保護(hù)的最常見的引腳：

1、編程引腳

通常來說，編程引腳是供工程師使用的。有些產(chǎn)品需要在現(xiàn)場重新編程，編程引腳上發(fā)生ESD的可能性比較高。

在編程引腳上添加鉗位二極管的另一個(gè)原因是因?yàn)楹弦?guī)性，如果你是要銷售自己的產(chǎn)品，那就必須要遵守ESD標(biāo)準(zhǔn)。在ESD測試中，裸露的引腳是特意注入電壓尖峰，產(chǎn)品不能夠損壞。

2、重置引腳

一般來說，不會(huì)希望產(chǎn)品在沒有什么理由的情況下重置或者重啟，這個(gè)時(shí)候復(fù)位引腳可從外部訪問，當(dāng)ESD發(fā)生時(shí)，設(shè)備可能會(huì)重啟啟動(dòng)或者永久損壞。在浪涌等其他合規(guī)性測試期間，復(fù)位引腳可能會(huì)受到干擾，設(shè)備將重新啟動(dòng)，這樣的情況不希望發(fā)生的。（雖然這不是ESD情況，但是由于浪涌電壓尖峰的電平非常高，也相當(dāng)于模擬了ESD）

3、用于檢測線路電壓或者更高直流電壓的IC引腳

這些引腳實(shí)際上，從外部是沒有辦法訪問的，ESD在這些引腳上的可能性很小，然后再浪涌測試或者實(shí)際浪涌期間，這些引腳可能會(huì)遇到更高的尖峰電壓，而這些尖峰本質(zhì)上就像ESD。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)松開尖峰，就會(huì)容易損壞ESD。

二、使用瞬態(tài)電壓抑制器

瞬態(tài)電壓抑制器是快速作用的鉗位二極管，不是普通的PN二極管，例如上面的鉗位二極管。

TVS在作用和功能方面和鉗位二極管差不多。一旦達(dá)到其擊穿電壓，器件就會(huì)鉗位，否則為開路。

下圖顯示了常見的TVS符號(hào)，圖A、B為雙向TVS，C為單向TVS。雙向TVS可以阻止ESD正向或負(fù)向尖峰。另一方面，單向的只能抑制一個(gè)定向尖峰。

常見的TVS符號(hào)

下面3個(gè)圖是使用TVS保護(hù)特定引腳免受ESD影響的示例連接。

1、安裝在IC引腳的單向TVS

在電路正常工作時(shí)，TVS不導(dǎo)通。但存在正尖峰時(shí)，設(shè)備將鉗位，當(dāng)存在負(fù)尖峰時(shí)，設(shè)備將正向偏置并將尖峰轉(zhuǎn)移到地面。

安裝在IC引腳的單向TVS

2、雙向TVS

在正常工作下，TVS不會(huì)產(chǎn)生干擾。在正電壓尖峰或負(fù)電壓尖峰期間，TVS將鉗位并保護(hù)IC。

雙向TVS

3、雙向 TVS

在正常工作下，TVS 不會(huì)產(chǎn)生干擾。在正電壓尖峰或負(fù)電壓尖峰期間，TVS將鉗位并保護(hù) IC。

雙向 TVS


三、使用齊納二極管

使用齊納二極管作為ESD保護(hù)與單向TVS原理相同，齊納二極管的缺點(diǎn)是不如TVS快，并且考慮到TVS相同的尺寸，只能處理較小的能量，需要更大的齊納二極管來承受能量，但是會(huì)占用PCB的空間，成本也會(huì)更高。

四、使用高頻電容

在汽車電路設(shè)計(jì)中，假定人體具有300PF的等效電容。該電容可以存儲(chǔ)高達(dá)8KV的電位，當(dāng)人接觸任何東西時(shí)，體內(nèi)的電荷就會(huì)放電。如果是小型電子設(shè)備，就會(huì)損壞。

下面的設(shè)置顯示了安裝在IC引腳中的電容如何受到ESD保護(hù)，當(dāng)人體接觸到該引腳時(shí)，人體的電容與電容ESD形成并聯(lián)。正因?yàn)槿绱耍梭w內(nèi)的8KV電位才會(huì)被抑制。

在電荷守恒中，最終電荷等于初始電荷，所以將人體視為初始電荷

當(dāng)人體接觸帶有ESD的引腳時(shí)，發(fā)生充電。然后：

根據(jù)電荷守恒：Qinitial=Qfinal。Cfinal是CESD和人體電容的并聯(lián)組合。Ufinal 是電容器將承受的實(shí)際電壓。然后：

如上所述，VHumanBody為 8kV，CHumanBody為 330pF。假設(shè)我們將選擇 33nF CESD，那么最終電壓將為：

因此，在引腳上安裝33nfESD保護(hù)電容后，引腳所承受的電壓僅為79.2V，而不是8KV，而電容的額定電壓必須高于此值，如果要進(jìn)一步降低電壓水平，只需要增加ESD電容即可。但是進(jìn)一步增加電容也會(huì)增加PCB的尺寸。

以上就是4種防止ESD損壞設(shè)備的方法。你可以讓任意選擇，這4種方法在應(yīng)用程序中有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，可以在實(shí)際測試中驗(yàn)證是否真的有效。

PCB設(shè)計(jì)可以減少不必要的故障排除和返工成本，下面是在PCB設(shè)計(jì)中如何防止ESD的措施。

五、減少電路回路面積

電流被感應(yīng)到閉合且具有變化的磁通量的電路回路中，電流的幅值與回路的面積成正比。也就是說，回路的面積必須減少，因?yàn)榛芈吩酱?，磁通量越大?br />

減少電路回路面積

電流被感應(yīng)到閉合且具有變化的磁通量的電路回路中，電流的幅值應(yīng)與回路的面積成正比，也就是說，回路的面積必須減少，因?yàn)榛芈吩酱螅磐吭酱?，在電路中感?yīng)出的電流越強(qiáng)。

最常見的回路上圖所示，由電源和地之間的環(huán)路面積，還降低了ESD脈沖產(chǎn)生的高頻EMI電磁場。如果不能使用多層電路板，則電源和地線必須如下圖所示連接到一個(gè)網(wǎng)格上。

電源和地線連接到一個(gè)網(wǎng)格

并網(wǎng)連接可以起到電源和地層的作用，各層印刷線路均與過孔相連，過孔之間的連接間距在每個(gè)方向上應(yīng)在6cm以內(nèi)。另外在布線時(shí)，電源和接地印制線盡量靠近也可以減少環(huán)路面積，如下所示：

電源和接地印制線盡量靠近也可以減少環(huán)路面積

減少環(huán)路面積和感應(yīng)電流的另與一種方法是減少互連設(shè)備之間的平行路徑，如下所示：

減少互連設(shè)備之間的平行路徑

當(dāng)必須使用超過30cm的信號(hào)連接線時(shí)，可以使用保護(hù)線，如下圖所示：

使用保護(hù)線

更好的一個(gè)方法時(shí)，在保護(hù)線或者接地層13mm以內(nèi)的信號(hào)線附近布設(shè)接地信號(hào)線，每個(gè)傳感器或者電源線的長信號(hào)線（>30cm）與接地線。

在保護(hù)線或者接地層13mm以內(nèi)的信號(hào)線附近布設(shè)接地信號(hào)線

六、線的長度

長信號(hào)線也可以成為接收ESD脈沖能量的天線，使用較短的信號(hào)線會(huì)降低信號(hào)線作為天線接收ESD電磁場的效率，互連相鄰位置的設(shè)備以減少互連印刷線的長度。

七、減少電荷注入

ESD直接放電到接地層可能會(huì)破壞敏感電路。因此，在使用瞬態(tài)二極管時(shí)，最好在易損元件的電源和地之間防止一個(gè)或者多個(gè)高頻旁路電容。旁路電容減少電荷注入并保持源極和接地端口之間的電壓差。TVS分流感應(yīng)電流，保持TVS鉗位間的電壓差。TVS和電容應(yīng)盡可能靠近被保護(hù)的IC放置，以確保從TVS到地的路徑最短以及定然的長度，以減少寄生電容效應(yīng)。

減少電荷注入

連接到必須安裝到PCB上的銅層，理想情況下，銅層必須與PCB接觸層隔離，并通過短導(dǎo)線連接到焊盤。

八、其他的措施

1、避免時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)等重要信號(hào)線在PCB邊緣；
2、將PCB不用的部分設(shè)置為地平面；
3、主機(jī)殼地線距離信號(hào)線至少4mm；
4、保持主殼地線的長寬比小于5:1，減少電感效應(yīng)；
5、使用 TVS 二極管保護(hù)所有外部連接。

審核編輯：湯梓紅