在電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工程師處理ESD有時(shí)候總覺得沒有頭緒，主要原因是ESD測(cè)試難以量化，每次測(cè)試的結(jié)果也會(huì)存在差異，所以憑感覺處理起來(lái)很‘玄學(xué)’。 簡(jiǎn)單說(shuō)起來(lái)就是ESD對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部存在干擾，但處理起來(lái)常常就是一團(tuán)亂麻，監(jiān)測(cè)不到ESD泄放路徑。單從電路增加ESD防護(hù)設(shè)計(jì)維度有時(shí)候是無(wú)法達(dá)到目的，所以PCB設(shè)計(jì)是解決ESD防護(hù)問題中非常重要的一環(huán)，但必要時(shí)還是要配合ESD器件共同達(dá)到抑制的目的。

無(wú)論是普通電路系統(tǒng)還是高速電路系統(tǒng)，對(duì)于EMC的處理都很有必要，今天就分享幾個(gè)PCB Layout幾個(gè)原則，可以大大減小EMC出現(xiàn)問題的概率。PCB布局的ESD防護(hù)思路是：敏感的信號(hào)或者電路遠(yuǎn)離靜電放電測(cè)試點(diǎn)，信號(hào)環(huán)路面積最小化噪聲耦合，降低參考地平面電位差保持信號(hào)參考電平穩(wěn)定。

圖1.PCB Layout示意圖

如圖1所示，PCB Layout設(shè)計(jì)建議參考

1. 單層PCB設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置良好的接地平面和電源平面，信號(hào)線盡可能緊靠電源平面層或接地平面，保證信號(hào)回流時(shí)的通路以最短，信號(hào)環(huán)路最小的原則。

2. 多層PCB層疊設(shè)計(jì)必須保證比較完整的GND平面，所有的 ESD泄放路徑直接通過(guò)過(guò)孔連接到這個(gè)完整的GND平面，其他層盡可能多的鋪 GND。

3. 在PCB四周增加地保護(hù)環(huán)路，關(guān)鍵信號(hào)（RESET/Clock等）與板邊距離不小于 5mm，同時(shí)必須與布線層的板邊GND銅皮距離不小于 10mils。

4. 在電源和接地之間設(shè)計(jì)高頻旁路電容，要求等效串聯(lián)電感值（ESL）和等效串聯(lián)電阻（ESR）越小越好

5. 對(duì)于部分ESD 整改難度較大的IO，可將IO GND獨(dú)立出來(lái)，與電源GND用磁珠連接，以防止ESD能量進(jìn)入GND。

另外，在PCB布局時(shí)做好敏感器件的保護(hù)、隔離，一些敏感模塊如射頻、音頻、存儲(chǔ)器可以添加屏蔽罩。但屏蔽罩的整體成本太高，ESD保護(hù)器件具有更好的性價(jià)比，但如何選用合適的ESD器件才是關(guān)鍵，配合PCB的線路設(shè)計(jì)達(dá)到防護(hù)目的。

圖2.ESD泄放路徑避免能量進(jìn)入保護(hù)電路

放電事件通常通過(guò)接口（如連接線）或人工端口（如USB、音頻）迫使電流 IESD （圖2）迅速進(jìn)入系統(tǒng)。使用ESD二極管保護(hù)系統(tǒng)免受ESD影響，取決于ESD二極管能否將 IESD 分流到地，在選用ESD器件時(shí)需要注意如下參數(shù)：

1.工作電壓 (VRWM)

VRWM工作電壓是指建議器件工作電壓范圍，應(yīng)用電路最高電壓超過(guò)該值時(shí)會(huì)導(dǎo)致漏電流增大，從而損壞器件和影響系統(tǒng)運(yùn)行。建議電路應(yīng)用電壓≤ ESD 器件的工作電壓VRWM。

2.結(jié)電容（Cj）

ESD器件與信號(hào)并聯(lián)使用，而ESD半導(dǎo)體設(shè)計(jì)時(shí)的寄生電容，對(duì)于高速信號(hào)應(yīng)最大限度地減小結(jié)電容Cj以保持信號(hào)完整性。

3. IEC 61000-4-2等級(jí)（Contact discharge/ Air discharge）

IEC61000-4-2等級(jí)體現(xiàn)器件在接觸放電和空氣放電的穩(wěn)健性。接觸放電是指用靜電槍向ESD器件放電時(shí)該器件可承受的最大電壓。空氣放電是指使用靜電槍空氣間隙向ESD器件放電時(shí)該器件可承受的最大電壓。

4．ESD器件通道數(shù)

ESD器件有單通道和多通道不同封裝類型。多通道是內(nèi)部集成多個(gè)單通道器件，根據(jù)應(yīng)用需求，多通道器件可實(shí)現(xiàn)更小尺寸方案并節(jié)省PCB空間，當(dāng)然，單通道器件可提供更高的設(shè)計(jì)靈活性。

5.單向與雙向

雙向ESD器件可同時(shí)具有正負(fù)工作電壓的電路中（±3.3V等），因此，雙向ESD器件可支持?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)在正負(fù)電壓之間切換的接口（如模擬信號(hào)/RS233等）。單向ESD只有工作在正電壓范圍，但具有更好的負(fù)鉗位。

6. 鉗制電壓（Vc）

鉗制電壓表示瞬態(tài)脈沖下作用于ESD器件時(shí)2端的壓降，鉗制電壓越低意味能更好的保護(hù)后級(jí)的電子元件。瞬態(tài)測(cè)試包含靜電和浪涌，不同測(cè)試條件下鉗制電壓不同，選型前確認(rèn)具體測(cè)試需求和后級(jí)極限損壞電壓，保證器件選型的合理性

綜上，要想從PCB布局+ESD二極管實(shí)現(xiàn)最好的靜電防護(hù)，很大程度上需要從整機(jī)系統(tǒng)上優(yōu)化設(shè)計(jì)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員無(wú)法控制 IESD，所以降低對(duì)地阻抗是將鉗制電壓最小化的主要方法。設(shè)計(jì)建議如下（圖3）。

圖3.ESD二極管PCB優(yōu)化建議

產(chǎn)品推薦

揚(yáng)杰科技推出應(yīng)用于電源和信號(hào)單向TVS方案，在瞬態(tài)脈沖負(fù)壓情況下，單向ESD器件約-0.7V會(huì)Forward導(dǎo)通，而雙向結(jié)構(gòu)ESD器件無(wú)論在正壓還是負(fù)壓條件下，2個(gè)方向均要擊穿才會(huì)導(dǎo)通；如果電源或主芯片為高階制程，電源或I/O防護(hù)電路變得十分脆弱，在負(fù)壓條件下會(huì)導(dǎo)致主芯片內(nèi)部的襯底二極管率先導(dǎo)通而燒毀，從而導(dǎo)致主芯片損壞。表1是我司新開發(fā)的單向結(jié)構(gòu)ESD和具體應(yīng)用，以應(yīng)對(duì)在負(fù)壓瞬態(tài)脈沖下敏感問題 。