电路设计中关于瞬态过压保护最常出现的三个疑问解答

必须要保护器件来应对ESD吗？

“是否真的需要电路保护器件来保护电路免受静电放电（ESD）的影响？”这是一个许多硬件工程师都会遇到的问题。目前电路中通常有I/O接口，这些接口由集成IC驱动。这些IC虽然功能强大，但对瞬态过应力（例如静电放电）的耐受能力却显著下降。因此，保护这些连接到产品I/O接口的IC免受瞬态过应力就很重要。所以针对瞬态过压保护的设计必不可少。

Part 02

芯片手册中的ESD防护能力2kV够吗？

从专业角度来看，这个ESD额定值并不足够，为了确保芯片在制造过程中不会被ESD损坏，芯片厂家通常会在芯片的I/O单元设计ESD保护结构。这种“芯片内”的保护主要应对的是在生产/制造过程中人或机器产生的静电危害。

目前有几种不同的ESD标准，每一种标准都描述了适用于特定ESD环境的防护级别。对于器件级的ESD，一般采用的是JESD22-A114E标准。这是JEDEC中定义的人体模型（HBM）标准，芯片厂家在开发其芯片时是依据这一标准来设计的。这个标准目的就是确保在制造过程中让IC得到所需的最低限度的芯片内的保护。

相比之下，在系统级的电路设计就不再考虑JESD22-A114E，而是考虑完全不同的标准，即IEC61000-4-2。IEC61000-4-2描述并模拟了在系统环境中遇到的ESD威胁，为了模拟更接近“真实世界”的系统的ESD威胁，IEC标准是一个更严格的ESD测试。IEC规定了针对不同威胁级别的4种接触测试电压：±2kV、±4kV、±6kV、±8kV，峰值放电电流可高达30A。 JEDEC和IEC标准要求的峰值脉冲电流水平是不同的，如下表所示：

总结来说，尽管IC在芯片级提供了2kV ESD保护，但在实际应用中，这可远远不够，为了确保系统的稳定性和可靠性，需要采用符合IEC61000-4-2标准的系统级ESD保护措施。

Part 03

TVS器件的PCB布局怎么做效果最好？

在设计电路板布局时，如何优化TVS器件的放置是一个关键问题，尤其是对于瞬态过压的保护效果来说。当处理ESD（静电放电）时，抑制初始瞬态尖峰的电压大小也会依赖于PCB布局的好坏。即使是非常好的保护电路，如果遇上比较差的PCB布局，那效果也是1-1=0。

1.尽可能将TVS元件放置在接口连接器附近：这样做有助于在ESD事件发生时，在PCB的入口处抑制ESD，从而减少由ESD引起的辐射发射可能产生的其他影响。

2.通过缩短从TVS器件到被保护I/O线的走线长度来最小化寄生电感，举个例子，如果ESD的上升时间为1ns的话，那么30A脉冲在1nH的串联等效电感走线上可以使TVS器件的钳位电压提高30V，从而使TVS的钳位电压大大增加，无法实现保护IC的目的。   3.尽可能将TVS器件的接地连接直接连接到地平面：如果需要使用过孔，那就尽可能多使用过孔连接到地平面。这样可以降低寄生电感，提高保护效果。  

3.在高速数字信号上，TVS器件的等效电容成为一个重要考虑因素，因为电容存在充放电，会增大信号的上升时间，所以为了保持信号完整性，在不牺牲钳位性能的情况下，尽可能等效电容最小的器件。