在电子行业中，保护设备免受ESD损坏是必须要注意的。静电放电（ESD）是一种非常高的电压尖峰，很容易损坏集成电路和低功率半导体等小信号元件。常见的ESD是由人体接触电子设备引起的，电荷在人体内累积，然后当身体接触到设备时，电荷就会放电，并伴随着非常高的电压尖峰。

下面介绍 在PCB设计中如何减少ESD损害 ：

一、使用钳位二极管

钳位二极管 最常用于集成电路中，以 保护器件免受ESD的损坏 。微控制器、数字信号控制器和处理器都具有内部的ESD钳位二极管。但是在低成本控制器内部有时候会没有钳位二极管，这个时候就 需要靠近在外部添加一个钳位二极管 。下图是IC固有的ESD钳位二极管。

IC固有的ESD钳位二极管

正常工作时，假设引脚1的电压预计在0-3.3V之间，D1和D2不会干扰。假设高电平为3.3V，则D1反偏不导通，另一方面D2也是不导通的，因为阴极连接到VCC，引脚的高电平等于VCC。当引脚1中的电压为0时，D2反向偏置，D1无偏置。

当存在由ESD引起的高压尖峰时，二极管会导通。 例如：尖峰非常高，D2将正向偏置，尖峰将转移到VCC，从而保护IC的内部组件。当存在非常高的负尖峰时，D1将传导并将尖峰转移到地面。

这里必须要了解清楚你使用的IC是否具有保护。 如果没有的话，就在外部添加钳位二极管。 如下图所示:

在外部添加钳位二极管

如果打算在IC的所有引脚中都添加钳位二极管的话，那是肯定不行，而且成本也会很高。通常来说，在产品制造并放入外壳后，IC将不能再用，钳位二极管需要实现的特性引脚比较少。当然钳位二极管你可以用硅二极管或者肖特基二极管。

下面是 通常需要钳位二极管保护的最常见的引脚 ：

1、编程引脚

通常来说，编程引脚是供工程师使用的。有些产品需要在现场重新编程， 编程引脚上发生ESD的可能性比较高。在编程引脚上添加钳位二极管的另一个原因是因为合规性 ，如果你是要销售自己的产品，那就必须要遵守ESD标准。在ESD测试中，裸露的引脚是特意注入电压尖峰，产品不能够损坏。

2、重置引脚

一般来说，不会希望产品在没有什么理由的情况下重置或者重启， 这个时候复位引脚可从外部访问，当ESD发生时，设备可能会重启启动或者永久损坏。 在浪涌等其他合规性测试期间，复位引脚可能会受到干扰，设备将重新启动，这样的情况不希望发生的。（虽然这不是ESD情况，但是由于浪涌电压尖峰的电平非常高，也相当于模拟了ESD）

3、用于检测线路电压或者更高直流电压的IC引脚

这些引脚实际上，从外部是没有办法访问的，ESD在这些引脚上的可能性很小，然后再浪涌测试或者实际浪涌期间，这些引脚可能会遇到更高的尖峰电压，而这些尖峰本质上就像ESD。 根据经验松开尖峰，就会容易损坏ESD。

二、使用瞬态电压抑制器

瞬态电压抑制器 是 快速作用的钳位二极管 ，不是普通的PN二极管，例如上面的钳位二极管。TVS在作用和功能方面和钳位二极管差不多。一旦达到其击穿电压，器件就会钳位，否则为开路。

下图显示了 常见的TVS符号 ，图A、B为双向TVS，C为单向TVS。双向TVS可以阻止ESD正向或负向尖峰。另一方面，单向的只能抑制一个定向尖峰。

常见的TVS符号

下面3个图是使用TVS保护特定引脚免受ESD影响的示例连接。

1、安装在IC引脚的单向TVS

在电路正常工作时，TVS不导通。 但存在正尖峰时，设备将钳位，当存在负尖峰时，设备将正向偏置并将尖峰转移到地面。

安装在IC引脚的单向TVS

2、双向TVS

在正常工作下，TVS不会产生干扰。 在正电压尖峰或负电压尖峰期间，TVS将钳位并保护IC.

双向TVS

3、双向 TVS

在正常工作下，TVS 不会产生干扰。在 正电压尖峰或负电压尖峰期间，TVS将钳位并保护 IC。

双向 TVS

三、使用齐纳二二极管

使用齐纳二极管作为ESD保护与单向TVS原理相同，齐纳二极管的缺点是不如TVS快，并且考虑到TVS相同的尺寸，只能处理较小的能量 ，需要更大的齐纳二极管来承受能量，但是会占用PCB的空间，成本也会更高。

四、使用高频电容

在汽车电路设计中，假定人体具有300PF的等效电容。该电容可以存储高达8KV的电位，当人接触任何东西时，体内的电荷就会放电。如果是小型电子设备，就会损坏。

下面的设置显示了安装在IC引脚中的电容如何受到ESD保护，当人体接触到该引脚时，人体的电容与电容ESD形成并联。正因为如此，人体内的8KV电位才会被抑制。

在电荷守恒中，最终电荷等于初始电荷，所以将人体视为初始电荷

初始电荷

当人体接触带有ESD的引脚时，发生充电。然后：

终电荷

根据电荷守恒： Qinitial=Qfinal。 Cfinal是CESD和人体电容的并联组合。Ufinal 是电容器将承受的实际电压。然后：

电荷守恒

如上所述，V HumanBody为 8kV，C HumanBody为 330pF。假设我们将选择 33nF CESD，那么最终电压将为：

终电荷

因此，在引脚上安装33nfESD保护电容后，引脚所承受的电压仅为79.2V，而不是8KV ，而电容的额定电压必须高于此值， 如果要进一步降低电压水平，只需要增加ESD电容即可。但是进一步增加电容也会增加PCB的尺寸。

以上就是4种防止ESD损坏设备的方法。你可以让任意选择，这4种方法在应用程序中有优点也有缺点，可以在实际测试中验证是否真的有效。

PCB设计可以减少不必要的故障排除和返工成本,，下面是在 PCB设计中如何防止ESD的措施。

五、减少电路回路面积

电流被感应到闭合且具有变化的磁通量的电路回路中，电流的幅值与回路的面积成正比。也就是说， 回路的面积必须减少，因为回路越大，磁通量越大。

减少电路回路面积

电流被感应到闭合且具有变化的磁通量的电路回路中，电流的幅值应与回路的面积成正比，也就是说，回路的面积必须减少，因为回路越大，磁通量越大，在电路中感应出的电流越强。

最常见的回路上图所示，由电源和地之间的环路面积，还降低了ESD脉冲产生的高频EMI电磁场。 如果不能使用多层电路板，则电源和地线必须如下图所示连接到一个网格上。

电源和地线连接到一个网格

并网连接可以起到电源和地层的作用，各层印刷线路均与过孔相连，过孔之间的连接间距在每个方向上应在6cm以内。另外在布线时， 电源和接地印制线尽量靠近也可以减少环路面积 ，如下所示：

电源和接地印制线尽量靠近也可以减少环路面积

减少环路面积和感应电流的另与一种方法是 减少互连设备之间的平行路径 ，如下所示：

减少互连设备之间的平行路径

当必须使用超过30cm的信号连接线时，可以 使用保护线 ，如下图所示：

使用保护线

更好的一个方法时， 在保护线或者接地层13mm以内的信号线附近布设接地信号线，每个传感器或者电源线的长信号线（>30cm）与接地线。

在保护线或者接地层13mm以内的信号线附近布设接地信号线

六、线的长度

长信号线也可以成为接收ESD脉冲能量的天线，使用较短的信号线会降低信号线作为天线接收ESD电磁场的效率，互连相邻位置的设备以减少互连印刷线的长度。

七、减少电荷注入

ESD直接放电到接地层可能会破坏敏感电路。因此， 在使用瞬态二极管时，最好在易损元件的电源和地之间防止一个或者多个高频旁路电容。 旁路电容减少电荷注入并保持源极和接地端口之间的电压差。TVS分流感应电流，保持TVS钳位间的电压差。 TVS和电容应尽可能靠近被保护的IC放置 ，以确保从TVS到地的路径最短以及定然的长度，以减少寄生电容效应。

减少电荷注入

连接到必须安装到PCB上的铜层，理想情况下，铜层必须与PCB接触层隔离，并通过短导线连接到焊盘。

八、其他的措施

• 1、避免时钟、复位信号等重要信号线在PCB边缘；

• 2、将PCB不用的部分设置为地平面；

• 3、主机壳地线距离信号线至少4mm；

• 4、保持主壳地线的长宽比小于5:1，减少电感效应；

• 5. 使用 TVS 二极管保护所有外部连接

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文章来源于:PCB电路板之家    原文链接