ESD布局避坑指南

ESD 器件规格定义

工作电压(VRWM)：工作电压是指建议的器件工作电压范围。应用的信号电压不应处于ESD器件的工作电压范围之外。在负范围或正 范围内超过工作电压都会导致不必要的钳位和泄漏，从而损坏器件和系统。

电容ESD二极管与信号布线并联，因而ESD器件会向系统引入一些寄生电容。对于高速接口，最大限度地减小电容 以保持信号完整性十分重要。

IEC 61000-4-2等级IEC61000-4-2等级包括体现ESD器件稳健性的接触等级和空气间隙等级。接触等级是指当源极直接向ESD器件 放电时该器件可承受的最大电压。空气间隙等级是指当源极通过空气间隙向 ESD 器件放电时该器件可承受的最大电压。IEC61000-4-2等级专为实际应用而设计，分为4 个级别。IEC 61000-4-2等级越高则说明该 ESD 器件可承受的电压越高。

通道ESD器件可采用单通道和多通道配置。根据应用的不同，多通道器件可实现更小的解决方案尺寸并节省布板空间，因为它将多个单通道器件整合在一起。相反，单通道器件可提供更高的设计灵活性。

单向与双向：双向ESD二极管同时具有正负工作电压范围，通常为 –3.6V至3.6V或–5.5V至5.5V。因此，双向ESD器件 可支持数据信号在正负电压之间切换的接口。单向ESD只有正工作电压范围，但具有更好的负钳位。

ESD 布局技巧

优化阻抗以消除ESD在设计将ESD消除的电路时，电感是需要考虑的重要寄生参数。由于存在寄生电感，电流的变化会导致整体电压 发生变化，从而破坏整体电路板的性能。图2-1所示为ESD源和瞬态电压抑制器(TVS)或ESD二极管之间的四个寄生电感。

在设计完善的系统中，ESD源与通过TVS的接地路径之间的电感会最大限度地减小。请通过以下5个布局技巧来减小电感：

1. 最大限度地减小ESD源与通过TVS的接地路径之间的电感

2. 在设计规则允许的情况下，将TVS放置在尽可能靠近ESD源或连接器的位置

3. 使受保护的IC与TVS之间的距离远远超过TVS到连接器的距离。遵循第2条和第3条技巧将确保L4>>L1，引导IESD流向TVS。节2.2和节2.3中进一步介绍了如何最大限度地减少L1。

4. 不要在TVS和受保护线路之间使用L2残桩。在ESD源与TVS之间直接布线。在设计完善的系统中，不应存L2。请避免会在受保护线路和TVS之间引入电感的设计做法。

5. 最大限度地减小了TVS与接地之间的L3电感，具体请参阅节2.4中的进一步说明。该电感是影响整体VESD的最主要的寄生参数。

限制来自ESD的EMI

如果不采取适当的抑制措施，产生高di/dt的ESD 等快速瞬变会导致电磁干扰 (EMI)。图 2-2所示为主要辐射源出现在ESD源和TVS之间。

即使没有图2-1中的电感 L1，ESD期间快速变化的电场也会影响附近的电路。任何L1都会使EMI进一步放大 。PCB设计人员应避免在该区域使用未受保护的PCB迹线进行任何设计实践。在ESD事件中，与未受保护的 线路耦合的潜在EMI会通过直接接触IC或将EMI进一步带入系统而导致系统损坏。请使用以下4个技巧来限制EMI：

1. 不要在ESD源和TVS之间的区域中布放未受保护的电路 ；

2. 在设计规则允许的情况下，将TVS放置在尽可能靠近ESD源或连接器的位置；

3. 如果可能，在ESD源和TVS之间使用直线迹线；

4. 如果必须形成拐角，应首选曲线，可接受的最大角度为45°。

2.3 使用过孔进行布线 强烈建议在PCB上从 ESD 源布线到TVS，而不要通过过孔切换各层。图2-3展示了通过过孔进行布线的三种情况。

如果ESD源和受保护IC之间需要过孔，则第1种情况是首选方法，应避免第2种情况，如果没有替代方法时， 可接受第3种情况。在第1种情况中，IESD会被强制进入TVS保护引脚，然后经由过孔到达受保护的IC。该过孔与图2-1中的L4相关。在第2种情况中，IESD在受保护 IC和过孔之间产生分支并到达TVS保护引脚。该过孔与图2-1中的L2相关。应避免这种做法，因为受保护的IC会在 ESD 事件发生期间承受电流的冲击。在第3种情况中，IESD会被强制进入TVS的保护引脚，然后传递到受保护的IC。使用过孔布线时，请注意以下2个技巧：

1. 避免ESD源和TVS之间的过孔 ；

2. 如果在ESD源和受保护IC之间需要过孔，请在使用过孔之前直接从 ESD源布线到TVS。

2优化ESD接地方案

对于TVS，具有极低阻抗的接地路径非常重要。仅当TVS实现良好接地时，消除ESD源和TVS之间的所有寄生电感才会有效。图2-4展示了连接到顶层接地平面的 TVS 的接地焊盘。

TVS接地引脚应连接到同一层的接地平面，且该接地平面与直接相邻层上的另一个接地平面耦合。这些接地平面应与过孔缝合在一起，且有一个过孔紧邻TVS的接地引脚。请使用以下技巧来优化阻抗极低的接地方案：

1. 将TVS接地引脚直接连接到同一层的接地平面，确保该接地平面在附近有缝合到相邻内部接地平面的过孔；

2. 尽可能使用多个接地平面；

3. 使用已接地的底座螺钉连接PCB接地端，并将其放置在TVS和ESD源附近作为连接器接地屏蔽层；

4. 使用大直径和大钻孔的过孔，以降低阻抗。

晶扬电子 | 电路与系统保护专家

深圳市晶扬电子有限公司成立于2006年，是国家重点专精特新“小巨人”科技企业、国家高新技术企业、深圳知名品牌、广东省制造业单项冠军产品、深圳市制造业单项冠军企业，知识产权示范企业，建成广东省ESD静电保护芯片工程技术研究中心，荣获中国发明创业奖金奖等。是多年专业从事IC设计、生产、销售及系统集成的集成电路设计公司，在成都、武汉和加拿大设立有研发中心，拥有超百项知识产权和专利，业内著名的“电路与系统保护专家”。为各类电子产品提供全方位、全覆盖的静电保护、高边开关等保护方案。

主营产品:ESD、TVS、MOS管、DC-DC,LDO系列、工业&车规传感器、高边开关（HSD)芯片、电流传感器、汽车开关输入芯片等。