摘? 要 ：在產品開發(fā)設計的過程中發(fā)現,即使靜電防護器件的選型足夠嚴謹,器件設計參數的裕度足夠充分,有時也不能達到理想的設計效果,在靜電放電 (ESD) 測試過程中,常會出現功能丟失、死機等軟失效現象。文章闡述了產品設計中遇到的防護電路理論防護能力與測試效果存在的差異,結合瞬態(tài)電壓抑制二極管自身的特性以及靜電放電測試的特點,并以三種靜電防護電路設計中常出現的問題及優(yōu)化思路為例,通過實際測試與仿真,詳細分析了在印制電路板設計布局布線中的關鍵點及其對防護效果的影響趨勢。

關鍵詞 ：瞬態(tài)電壓抑制二極管 ;靜電放電防護 ;電磁仿真

引言

瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）廣泛應用于各種電源或者信號電路中，用來抑制瞬態(tài)過電壓。當被保護電路出現瞬態(tài)過電壓時，TVS 能迅速齊納擊穿，由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，對瞬態(tài)過電壓進行分流和箝位，保護電路中各元件不被瞬間的脈沖電壓損壞。TVS 響應速度快，反復通斷下的壽命長、結電容小，在多媒體設備的靜電防護、浪涌防護設計中，占有很高的比重。

在實際設計中發(fā)現，TVS 的選型以及電路原理設計上沒有問題，但實際測試結果卻達不到預期。這可能是在印制板電路的設計中，對TVS 的布局布線做得不夠完善。以下對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

設計印制電路板時，由于空間限制或其它原因，信號線不是直接從 TVS 的焊盤上經過，而是引出一個分叉，經過一段微帶線搭到 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，當微帶線超過一定長度時，隨著長寬比的增加，在高頻狀態(tài)下就會有一定的感抗產生，從而對靜電的泄放產生負面影響。

對產品進行靜電放電（ESD）管腳注入測試，發(fā)現如圖 1（a）所示設計，雖然 8 kV 可以通過測試，但測試過程中屏幕會閃爍，測試之后恢復正常 ；而圖 1（b）所示設計，8 kV 可以通過測試，而且無異?，F象。

圖1 TVS 布局設計

1.2 仿真分析

圖 2（a）的 3D 設計包含一段帶有防護電路分支的微帶線，以及介質層和參考地。仿真時，以信號線到 TVS 信號端焊盤之間的導線長度作為參數變量 Length 來進行分析 ；圖 2（b）是8 kV 的靜電信號發(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 結構模型，而外部端口 1 下方的子電路，就是 8 kV的靜電信號發(fā)生電路。3D 模型的下方是 TVS 的參數模型，3D 模型的右側是負載。

分別設置參數變量 Length 為 10 mil、50 mil來進行仿真，電壓探針的測試結果如圖 2（d）所示，負載端的最大干擾電壓分別為 10.7 V 和6.3 V。說明信號線到 TVS 信號端焊盤之間的導線長度越短，負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，信號線直接經過 TVS 的信號端焊盤，防護效果是更好的。

圖2 仿真設計

以下對微帶線的寄生電感及感抗進行一個簡單的估算 ：

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為介質厚度（微帶線到參考地平面的距離），取值0.5 mm。總寄生電感L如式（2）所示，感抗XL如式（3）所示。

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

，相當于在靜電的低阻抗泄放路徑上增加了 0.37 Ω 的串接電阻，會對靜電的有效泄放帶來一定的負面影響。

TVS 地端焊盤到地過孔的距離問題

2.1 問題描述

設計印制電路板時，TVS 地端的焊盤沒有就近打過孔，而是經過一段微帶線打過孔到內層地，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，導致高頻特性阻抗偏大，不利于靜電的泄放，從而引起經過信號路徑上的靜電能量較大，甚至超過負載端的承受范圍，引起功能異常。

對 產 品 進 行 ESD 管 腳 注 入 測 試， 發(fā) 現圖 3（a）的設計，6.5 kV 就會出現功能異常，外部端口已經不能識別了 ；而圖 3（b）的設計，8 kV 是可以通過的。

圖3 TVS 布局設計

2.2 仿真分析

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

圖4 仿真設計

分別設置參數變量Dis為 40 mil、80 mil、120 mil 來進行仿真，電壓探針的測試結果如圖 4（b）所示，負載端的最大干擾電壓分別為5.6 V、8.5 V 和 10.8 V。說明防護器件 TVS 的地端焊盤到地過孔之間的導線長度越短，負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，防護效果越好。

計算分析的過程可以參照 1.2 節(jié)，不良設計同樣是由于防護器件的引線過長，導致靜電泄放路徑上的感抗偏大，對靜電的有效泄放造成了負面影響。

TVS 和電容、磁珠協(xié)同工作的問題

3.1 問題描述

音頻模塊采用的數據傳輸信號是模擬信號，模擬信號的抗干擾能力弱于數字信號。所以在模擬信號的抗干擾電路設計上，除了 TVS 之外，還會加上去耦電容和鐵氧體磁珠作為二級濾波單元和三級濾波單元。

對 產 品 進 行 ESD 管 腳 注 入 測 試， 發(fā) 現圖 5（a）所示設計，8 kV 時可以通過測試 ；而圖 5（b）所示設計，7 kV 時就會出現功能異常，設備聲音丟失，需要重啟才可恢復。

圖5 防護電路布局設計

經分析，與以下因素有關 ：

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

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

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

本案例選用的是某型號 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，靜電干擾信號的能量主要集中在30~500 MHz，在此頻段內，所選電容的阻抗在1 Ω 以下，所選磁珠的阻抗在 300 Ω 以上。而本案例的負載在 10 Ω 量級，考慮到源端靜電發(fā)生電路的內阻以及測試輔助工具引入的阻抗，源端阻抗是遠大于負載端的，選擇 LC 型的濾波設計效果更優(yōu)。

3.2 仿真分析

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

圖7 接口電路仿真布局設計

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參數模型以及負載和探針。電路搭建完成后，添加瞬態(tài)任務，設定信號波形，然后開啟仿真。

圖8 仿真電路設計

仿真結果如圖 9 所示，第一種設計，仿真得到的負載端干擾電壓最大值約 0.8 V ；第二種設計，仿真得到的負載端干擾電壓最大值約1.6 V。

圖9 負載端干擾電壓仿真結果

由此可見，即使 TVS 的選型和布局設計一致，若后端的濾波電路設計有差異，也會影響該信號線路的整體防護效果。所以，做防護電路設計時，要注意 TVS、電容、磁珠等器件的協(xié)同工作，才可以達到更好的防護效果。

結論

通過理論研究、實際測試以及仿真分析，可以得出以下結論 ：

（1）要盡量減小 TVS 信號端及接地端的引線長度，減小引線的感抗。建議 TVS 信號端引腳到被保護信號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 到 最 佳 防 護 效 果，TVS 配 合 電容、磁珠等器件進行 ESD 防護時，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。當負載端（被保護芯片）阻抗較大時，建議電容靠近負載端擺放，當源端（靜電信號注入端）阻抗較大時，建議電容靠近源端擺放。

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

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