摘? 要 ：在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn),即使靜電防護(hù)器件的選型足夠嚴(yán)謹(jǐn),器件設(shè)計(jì)參數(shù)的裕度足夠充分,有時(shí)也不能達(dá)到理想的設(shè)計(jì)效果,在靜電放電 (ESD) 測試過程中,常會(huì)出現(xiàn)功能丟失、死機(jī)等軟失效現(xiàn)象。文章闡述了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中遇到的防護(hù)電路理論防護(hù)能力與測試效果存在的差異,結(jié)合瞬態(tài)電壓抑制二極管自身的特性以及靜電放電測試的特點(diǎn),并以三種靜電防護(hù)電路設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的問題及優(yōu)化思路為例,通過實(shí)際測試與仿真,詳細(xì)分析了在印制電路板設(shè)計(jì)布局布線中的關(guān)鍵點(diǎn)及其對(duì)防護(hù)效果的影響趨勢。

關(guān)鍵詞 ：瞬態(tài)電壓抑制二極管 ;靜電放電防護(hù) ;電磁仿真

引言

瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）廣泛應(yīng)用于各種電源或者信號(hào)電路中，用來抑制瞬態(tài)過電壓。當(dāng)被保護(hù)電路出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓時(shí)，TVS 能迅速齊納擊穿，由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，對(duì)瞬態(tài)過電壓進(jìn)行分流和箝位，保護(hù)電路中各元件不被瞬間的脈沖電壓損壞。TVS 響應(yīng)速度快，反復(fù)通斷下的壽命長、結(jié)電容小，在多媒體設(shè)備的靜電防護(hù)、浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)中，占有很高的比重。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，TVS 的選型以及電路原理設(shè)計(jì)上沒有問題，但實(shí)際測試結(jié)果卻達(dá)不到預(yù)期。這可能是在印制板電路的設(shè)計(jì)中，對(duì)TVS 的布局布線做得不夠完善。以下對(duì)常見的三類問題做具體描述和仿真分析。

T 型走線的問題

1.1 問題描述

設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，由于空間限制或其它原因，信號(hào)線不是直接從 TVS 的焊盤上經(jīng)過，而是引出一個(gè)分叉，經(jīng)過一段微帶線搭到 TVS的焊盤上，如圖 1（a）所示。靜電泄放有尋找阻抗最小路徑的特性，當(dāng)微帶線超過一定長度時(shí)，隨著長寬比的增加，在高頻狀態(tài)下就會(huì)有一定的感抗產(chǎn)生，從而對(duì)靜電的泄放產(chǎn)生負(fù)面影響。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行靜電放電（ESD）管腳注入測試，發(fā)現(xiàn)如圖 1（a）所示設(shè)計(jì)，雖然 8 kV 可以通過測試，但測試過程中屏幕會(huì)閃爍，測試之后恢復(fù)正常 ；而圖 1（b）所示設(shè)計(jì)，8 kV 可以通過測試，而且無異?，F(xiàn)象。

圖1 TVS 布局設(shè)計(jì)

1.2 仿真分析

圖 2（a）的 3D 設(shè)計(jì)包含一段帶有防護(hù)電路分支的微帶線，以及介質(zhì)層和參考地。仿真時(shí)，以信號(hào)線到 TVS 信號(hào)端焊盤之間的導(dǎo)線長度作為參數(shù)變量 Length 來進(jìn)行分析 ；圖 2（b）是8 kV 的靜電信號(hào)發(fā)生電路 ；圖 2（c）是仿真的完整電路，其中，綠色的子模塊就是 3D 結(jié)構(gòu)模型，而外部端口 1 下方的子電路，就是 8 kV的靜電信號(hào)發(fā)生電路。3D 模型的下方是 TVS 的參數(shù)模型，3D 模型的右側(cè)是負(fù)載。

分別設(shè)置參數(shù)變量 Length 為 10 mil、50 mil來進(jìn)行仿真，電壓探針的測試結(jié)果如圖 2（d）所示，負(fù)載端的最大干擾電壓分別為 10.7 V 和6.3 V。說明信號(hào)線到 TVS 信號(hào)端焊盤之間的導(dǎo)線長度越短，負(fù)載端接收到的最大干擾電壓越小，發(fā)生系統(tǒng)性失效的概率也就越小。由此可見，信號(hào)線直接經(jīng)過 TVS 的信號(hào)端焊盤，防護(hù)效果是更好的。

圖2 仿真設(shè)計(jì)

以下對(duì)微帶線的寄生電感及感抗進(jìn)行一個(gè)簡單的估算 ：

微帶線的寄生電感包括自感和回路電感，需先計(jì)算單位長度電感LSUB，再乘以走線長度Length。

其中，W為微帶線寬度，取值 0.2 mm ；h為介質(zhì)厚度（微帶線到參考地平面的距離），取值0.5 mm?？偧纳姼蠰如式（2）所示，感抗XL如式（3）所示。

以 100 MHz 的 ESD 雜訊為例，當(dāng) Length=50 mil（ 即 1.27 mm） 時(shí)， 感 抗

，相當(dāng)于在靜電的低阻抗泄放路徑上增加了 0.37 Ω 的串接電阻，會(huì)對(duì)靜電的有效泄放帶來一定的負(fù)面影響。

TVS 地端焊盤到地過孔的距離問題

2.1 問題描述

設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，TVS 地端的焊盤沒有就近打過孔，而是經(jīng)過一段微帶線打過孔到內(nèi)層地，如圖 3（b）所示。

這與第 1 章的問題比較相似，也是由于TVS 路徑上走線較長，導(dǎo)致高頻特性阻抗偏大，不利于靜電的泄放，從而引起經(jīng)過信號(hào)路徑上的靜電能量較大，甚至超過負(fù)載端的承受范圍，引起功能異常。

對(duì) 產(chǎn) 品 進(jìn) 行 ESD 管 腳 注 入 測 試， 發(fā) 現(xiàn)圖 3（a）的設(shè)計(jì)，6.5 kV 就會(huì)出現(xiàn)功能異常，外部端口已經(jīng)不能識(shí)別了 ；而圖 3（b）的設(shè)計(jì)，8 kV 是可以通過的。

圖3 TVS 布局設(shè)計(jì)

2.2 仿真分析

圖 4（a）的 3D 設(shè)計(jì)包含一段帶有防護(hù)電路分支的微帶線，以及介質(zhì)層和參考地。仿真時(shí)，以防護(hù)器件 TVS 的地端焊盤到地過孔之間的導(dǎo)線長度作為參數(shù)變量Dis來進(jìn)行分析 ；靜電發(fā)生電路和仿真電路參考圖 2（b）和圖 2（c）。

圖4 仿真設(shè)計(jì)

分別設(shè)置參數(shù)變量Dis為 40 mil、80 mil、120 mil 來進(jìn)行仿真，電壓探針的測試結(jié)果如圖 4（b）所示，負(fù)載端的最大干擾電壓分別為5.6 V、8.5 V 和 10.8 V。說明防護(hù)器件 TVS 的地端焊盤到地過孔之間的導(dǎo)線長度越短，負(fù)載端接收到的最大干擾電壓越小，發(fā)生系統(tǒng)性失效的概率也就越小。由此可見，TVS 地端焊盤到地過孔之間距離越短，防護(hù)效果越好。

計(jì)算分析的過程可以參照 1.2 節(jié)，不良設(shè)計(jì)同樣是由于防護(hù)器件的引線過長，導(dǎo)致靜電泄放路徑上的感抗偏大，對(duì)靜電的有效泄放造成了負(fù)面影響。

TVS 和電容、磁珠協(xié)同工作的問題

3.1 問題描述

音頻模塊采用的數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)是模擬信號(hào)，模擬信號(hào)的抗干擾能力弱于數(shù)字信號(hào)。所以在模擬信號(hào)的抗干擾電路設(shè)計(jì)上，除了 TVS 之外，還會(huì)加上去耦電容和鐵氧體磁珠作為二級(jí)濾波單元和三級(jí)濾波單元。

對(duì) 產(chǎn) 品 進(jìn) 行 ESD 管 腳 注 入 測 試， 發(fā) 現(xiàn)圖 5（a）所示設(shè)計(jì)，8 kV 時(shí)可以通過測試 ；而圖 5（b）所示設(shè)計(jì)，7 kV 時(shí)就會(huì)出現(xiàn)功能異常，設(shè)備聲音丟失，需要重啟才可恢復(fù)。

圖5 防護(hù)電路布局設(shè)計(jì)

經(jīng)分析，與以下因素有關(guān) ：

（1）TVS 和電容響應(yīng)時(shí)間差異 ：TVS 的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到 ps 級(jí)，而電容的響應(yīng)時(shí)間是 ns級(jí)。如果 TVS 和電容緊挨著擺放，經(jīng) TVS 泄放之后的主線路上的靜電干擾信號(hào)，未及電容響應(yīng)就已經(jīng)傳遞到后端。

（2）TVS 的地端和電容的地端距離太近，經(jīng) TVS 泄放的靜電干擾信號(hào)，部分能量會(huì)經(jīng)電容回流到信號(hào)線上，影響防護(hù)效果。

（3）濾波電路組態(tài)問題，LC 型和 CL 型濾波電路應(yīng)用效果的差異。

本案例選用的是某型號(hào) 3 300 pF 容值的多層陶瓷電容器，其頻率特性如圖 6（a）所示 ；

選用的磁珠是 600 Ω 的鐵氧體磁珠，其頻率特性如圖 6（b）所示。

圖6 電容和磁珠的頻率特性

已知，靜電干擾信號(hào)的能量主要集中在30~500 MHz，在此頻段內(nèi)，所選電容的阻抗在1 Ω 以下，所選磁珠的阻抗在 300 Ω 以上。而本案例的負(fù)載在 10 Ω 量級(jí)，考慮到源端靜電發(fā)生電路的內(nèi)阻以及測試輔助工具引入的阻抗，源端阻抗是遠(yuǎn)大于負(fù)載端的，選擇 LC 型的濾波設(shè)計(jì)效果更優(yōu)。

3.2 仿真分析

圖 7（a）中，自源端到負(fù)載端依次是激勵(lì)端口、TVS、磁珠、電容、負(fù)載端口；圖 7（b）中，自源端到負(fù)載端依次是激勵(lì)端口、TVS、電容、磁珠、負(fù)載端口。

圖7 接口電路仿真布局設(shè)計(jì)

如圖 8 所示，在 3D 全電波仿真生成的仿真電路模型上，依次加入外部端口、靜電發(fā)生電路、TVS、電容、磁珠的S參數(shù)模型以及負(fù)載和探針。電路搭建完成后，添加瞬態(tài)任務(wù)，設(shè)定信號(hào)波形，然后開啟仿真。

圖8 仿真電路設(shè)計(jì)

仿真結(jié)果如圖 9 所示，第一種設(shè)計(jì)，仿真得到的負(fù)載端干擾電壓最大值約 0.8 V ；第二種設(shè)計(jì)，仿真得到的負(fù)載端干擾電壓最大值約1.6 V。

圖9 負(fù)載端干擾電壓仿真結(jié)果

由此可見，即使 TVS 的選型和布局設(shè)計(jì)一致，若后端的濾波電路設(shè)計(jì)有差異，也會(huì)影響該信號(hào)線路的整體防護(hù)效果。所以，做防護(hù)電路設(shè)計(jì)時(shí)，要注意 TVS、電容、磁珠等器件的協(xié)同工作，才可以達(dá)到更好的防護(hù)效果。

結(jié)論

通過理論研究、實(shí)際測試以及仿真分析，可以得出以下結(jié)論 ：

（1）要盡量減小 TVS 信號(hào)端及接地端的引線長度，減小引線的感抗。建議 TVS 信號(hào)端引腳到被保護(hù)信號(hào)線之間的引線長度不超過20 mil，TVS 接地端引腳到地過孔的距離不超過50 mil。

（2） 為 達(dá) 到 最 佳 防 護(hù) 效 果，TVS 配 合 電容、磁珠等器件進(jìn)行 ESD 防護(hù)時(shí)，要注意器件的組態(tài)和擺放位置。TVS 和電容盡量分開接地，TVS 靠近外部接口擺放，距離接口位置不大于200 mil。當(dāng)負(fù)載端（被保護(hù)芯片）阻抗較大時(shí)，建議電容靠近負(fù)載端擺放，當(dāng)源端（靜電信號(hào)注入端）阻抗較大時(shí)，建議電容靠近源端擺放。

本文引自 :李維翰,鄭緒強(qiáng),魏偉,等 . TVS 布局對(duì)靜電放電防護(hù)效果的影響分析 [J]. 安全與電磁兼容,2025(4): 61-66.

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