一、ESD 靜電對電路的影響
ESD（靜電放電）是一種常見的電磁干擾現(xiàn)象，它會對電路產(chǎn)生短時間、高能量的脈沖干擾。ESD 脈沖電壓可高達數(shù)千伏，能量密度較大，足以瞬間擊穿半導(dǎo)體器件的微觀結(jié)構(gòu)，從而對電路造成永久性損壞或性能下降。在集成電路、敏感電子元件以及精密傳感器等電路中，ESD 威脅尤為嚴重。
二、降低 ESD 靜電的方法
（一）使用鉗位二極管
鉗位二極管是電路設(shè)計中常用的 ESD 保護元件。在集成電路中，微控制器、數(shù)字信號控制器和處理器通常內(nèi)部集成了 ESD 鉗位二極管，以增強其抗靜電能力。對于一些低成本控制器，如果內(nèi)部沒有鉗位二極管，可以在外部添加鉗位二極管進行保護，尤其適用于編程引腳、復(fù)位引腳和數(shù)據(jù)引腳等關(guān)鍵信號引腳。
正常工作時，若引腳 1 的電壓設(shè)計范圍為 0 - 3.3V，鉗位二極管 D1 和 D2 不會干擾電路正常工作。當(dāng)引腳電壓為 3.3V 高電平時，D1 反偏不導(dǎo)通，D2 也因陰極連接到 VCC 而不導(dǎo)通；當(dāng)引腳電壓為 0 時，D2 反向偏置，D1 無偏置。
當(dāng)存在由 ESD 引起的高壓尖峰時，鉗位二極管會迅速導(dǎo)通，將過壓能量引導(dǎo)到 VCC 或地，從而保護 IC 的內(nèi)部組件。例如，當(dāng)出現(xiàn)高正尖峰時，D2 正向偏置，將尖峰電流導(dǎo)向 VCC；當(dāng)存在高負尖峰時，D1 導(dǎo)通，將尖峰電流導(dǎo)向地。
需要注意的是，并非在 IC 的所有引腳都適合添加鉗位二極管，那樣會增加不必要的成本和復(fù)雜性。鉗位二極管通常用于實現(xiàn)特殊功能的引腳較少的 IC。鉗位二極管可以選擇硅二極管或肖特基二極管，具體選擇依據(jù)電路工作電壓、電流參數(shù)以及 ESD 保護需求而定。
（二）使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）
TVS 是一種快速作用的鉗位二極管，與普通 PN 二極管不同。它在達到其擊穿電壓時會迅速鉗位，否則保持開路狀態(tài)。TVS 具有響應(yīng)速度快、瞬態(tài)功率大、漏電流低等優(yōu)點，能有效抑制 ESD 引起的瞬態(tài)過電壓。
常見的 TVS 符號有雙向和單向之分。圖 A、B 為雙向 TVS，能抑制正負兩個方向的 ESD 尖峰；圖 C 為單向 TVS，主要用于抑制單一方向的尖峰電壓。在 ESD 保護應(yīng)用中，雙向 TVS 通常更能滿足大多數(shù)場景的需求，因為它能夠應(yīng)對多種極性的靜電放電。
TVS 在電路中通常并聯(lián)在被保護電路的兩端，一旦出現(xiàn)過電壓，TVS 會在極短時間內(nèi)導(dǎo)通，將過電壓鉗位在安全范圍內(nèi)，從而保護后級電路不受損害。它常用于電源線、數(shù)據(jù)接口、通信線路等易受 ESD 干擾的部位。
（三）使用齊納二極管
齊納二極管也可用于 ESD 保護，其工作原理與單向 TVS 相似。齊納二極管在反向擊穿時具有穩(wěn)定的擊穿電壓，可以將過電壓鉗位在該電壓值附近，從而保護電路免受過高電壓的沖擊。
然而，齊納二極管存在一些缺點。與 TVS 相比，齊納二極管的響應(yīng)速度較慢，無法像 TVS 那樣快速地抑制瞬態(tài)過電壓。此外，在相同尺寸下，齊納二極管能夠處理的能量較小。若要使其能承受較高的能量，需要增大齊納二極管的尺寸，但這會增加 PCB 空間占用和成本。因此，在選擇 ESD 保護元件時，需綜合考慮電路的響應(yīng)速度要求、能量處理能力和成本等因素。
（四）合理布局和布線
在 PCB 設(shè)計中，合理的布局和布線是降低 ESD 影響的重要手段。高頻信號線應(yīng)盡量遠離敏感元件，如模擬電路、精密傳感器和微控制器等，以減少高頻干擾對敏感電路的耦合。地線的設(shè)計也至關(guān)重要，應(yīng)盡量短且寬，以降低地線阻抗，確保地電位的穩(wěn)定。此外，對于敏感電路，可以采用屏蔽措施，如使用金屬外殼或屏蔽材料進行包裹，從而隔絕外部干擾信號。
（五）選擇合適的元件
在抗干擾設(shè)計中，選擇合適的電容和電感對抑制高頻噪聲至關(guān)重要。例如，使用具有高自諧振頻率的電容和低直流電阻的電感，可以有效濾除高頻噪聲。此外，抗干擾元件如共模扼流圈、TVS 二極管等的選用也非常關(guān)鍵。共模扼流圈能夠抑制共模干擾信號，而 TVS 二極管則在瞬態(tài)過電壓保護方面表現(xiàn)出色。這些元件的合理組合使用，可以顯著提高電路的抗干擾能力，增強電路對 ESD 的抵御性能。
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