ESD保护二极管的电路板设计注意事项有哪些?

科技   2024-11-14 16:23   中国香港  
静电放电(ESD)是一种持续时间很短的脉冲。如果在设计电路板时没有考虑高频,就无法充分发挥其性能。下面,我们说明电路板设计的几点注意事项。
ESD保护二极管广泛用于静电放电(ESD)保护。ESD进入后,ESD保护二极管会立即以低电阻导通,以保护受保护器件(DUP)。
与其他类型的保护器件一样,ESD保护二极管的电路板设计需要考虑几个因素,包括它们的位置和电路板走线。以下是电路板设计注意事项,稍后进一步详细解释每一事项。
  1. ESD保护二极管的位置尽可能靠近连接器(尽量减小 L1和L3 走线的长度)。
  2. 缩短ESD保护二极管后面L2的长度。请勿在L2沿线加任何导通孔,否则会增加电感。
  3. 减小DUP(图3中的“IC”)和ESD进入点(如连接器)之间L5的接地阻抗。
  4. 请勿将连接ESD进入点(如连接器)的ESD保护型线路与非ESD保护型线路平行。这些线路不应平行,尤其是从ESD进入点到ESD保护二极管的线路(参见图6)。

与齐纳二极管的情况一样,ESD保护二极管利用pn结反向击穿特性。随着pn结二极管两端反向电压增加,在某个称为齐纳电压 (VZ) 的点发生雪崩击穿。由于这种特性,ESD保护二极管在系统正常工作期间保持关闭,发生ESD事件时立即导通,以减少DUP加载的ESD能量。
为了实现低电容和低动态电阻,凭借几十年积累的齐纳二极管技术,东芝的ESD保护二极管为ESD保护提供了理想解决方案。
图1显示带有ESD保护二极管的电路示例。
主要ESD进入点包括外露的USB、HDMI端口和其他传输线。因此,ESD保护二极管连接在地线与这些I/O 端口的信号线或控制线之间。进入的ESD电压为VESD。然后,VESD分别加载到ESD保护二极管和DUP。
DUP(IProt)加载的ESD电流取决于内部电路,但VESD越高,IProt就越高。ESD电击可能造成DUP故障或损坏。过高的电压、电流或能量都会导致DUP降级或破坏。不管怎样,降低VESD是提高ESD保护性能的关键。
图1:ESD保护二极管插入示例
为了降低VESD,选择低钳位电压(VC)和动态电阻(RDYN)的ESD保护二极管很重要。
然而,选择合适的ESD保护二极管只是第一步。上述考虑因素足以满足直流电的要求,但不足以应对高频脉冲。我们知道,ESD是一种高频脉冲。例如,下图显示ESD抗扰度测试标准IEC 61000-4-2规定的测试波形。
图2:ESD测试波形示例 (IEC 61000-4-2)
电路板设计对于高频脉冲十分重要。由于电路板走线和通孔起电感的作用,因此有必要缩短可能的ESD进入点(如连接器)到ESD保护二极管的走线长度,不穿过通孔。此外,切记地线应尽可能宽,以降低阻抗。现在,我们通过图示来讨论电路板设计的注意事项。
图3显示ESD保护二极管布局可选的四个位置。
A) ESD保护二极管靠近DUP。
电路板ESD保护二极管和DUP走线的阻抗几乎相同。进入电路板的高频ESD脉冲加到ESD保护二极管和DUP之前受电感的影响。在电感作用下,ESD脉冲的上升斜度略微变缓,导致ESD保护二极管的导通速度较慢。参见图4。当ESD保护二极管的位置靠近连接器时,DUP两端电压或ESD电击后的第一峰值电压低于靠近DUP的情况。
B)ESD保护二极管利用通孔靠近连接器。
ESD脉冲受通孔数量和尺寸的影响。使用通孔相当于增加ESD保护二极管的走线长度。因此,凡是可以避免使用通孔的情况下,建议不要使用通孔。
C)ESD保护二极管靠近连接器,但DUP至连接器的接地走线电感高。
L1和L3不影响ESD脉冲上升。然而,如果L5很大,DUP可能出现故障。参见图5。当ESD脉冲进入电路板时,ESD保护二极管的钳位电压由L4、L5和ZIC分担(即ESD进入时DUP的输入阻抗)。这会造成DUP的GND电位上升,增加L5两端的电压。如果IC_2过来的VIN2对ESD没有任何影响,则VIN2 电位相对于DUP接地变为VIN2-VESD_GND,并导致其发生故障。为了防止这种情况,从ESD进入点到DUP接地走线的阻抗应该足够低。
D)ESD保护二极管靠近连接器。DUP至连接器的接地走线电感低。
这是理想的位置。
图3:ESD进入点、IC和ESD保护二极管之间的位置关系
图4:ESD进入时DUP的I/O引脚电压(A和D的对比)
图5:示意图C补充说明
受ESD影响的线路与连接器连接的信号线路平行也存在风险。ESD可能由于电容耦合或电磁感应导致线路电压上升,从而造成DUP故障或损坏。
图6:不具备ESD防护能力的内部连接线的保护

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