在当今电子设备高度普及的时代,静电放电(ESD)对电子设备的危害日益受到关注。瞬态电压抑制二极管(TVS)作为一种常用的静电防护器件,广泛应用于各种电源或信号电路中,用于抑制瞬态过电压,保护电路元件免受瞬间脉冲电压的损坏。TVS 具有响应速度快、反复通断寿命长、结电容小等优点,在多媒体设备的静电防护和浪涌防护设计中占据重要地位。然而,在实际设计中,即使 TVS 的选型和电路原理设计无误,实际测试结果仍可能达不到预期。这可能是由于在印制板电路设计中,TVS 的布局布线不够完善所致。本文将结合实际测试与仿真,详细分析印制电路板设计布局布线中的关键点及其对防护效果的影响趋势。
在设计印制电路板时,由于空间限制或其他原因,信号线可能并非直接从 TVS 的焊盘上经过,而是引出一个分叉,通过一段微带线连接到 TVS 的焊盘上,如图 1(a)所示。静电泄放具有寻找阻抗路径的特性,当微带线超过一定长度时,随着长宽比的增加,在高频状态下会产生一定的感抗,从而对静电泄放产生负面影响。对产品进行静电放电(ESD)管脚注入测试发现,图 1(a)所示设计虽然能通过 8kV 测试,但测试过程中屏幕会闪烁,测试后恢复正常;而图 1(b)所示设计不仅能通过 8kV 测试,且无异常现象。

图 1 TVS 布局设计
图 2(a)的 3D 设计包含一段带有防护电路分支的微带线、介质层和参考地。在仿真时,以信号线到 TVS 信号端焊盘之间的导线长度作为参数变量 Length 进行分析;图 2(b)为 8kV 的静电信号发生电路;图 2(c)是完整的仿真电路,其中绿色子模块为 3D 结构模型,外部端口 1 下方的子电路为 8kV 的静电信号发生电路。3D 模型下方是 TVS 的参数模型,右侧是负载。分别设置参数变量 Length 为 10mil、50mil 进行仿真,电压探针测试结果如图 2(d)所示,负载端的干扰电压分别为 10.7V 和 6.3V。这表明信号线到 TVS 信号端焊盘之间的导线长度越短,负载端接收到的干扰电压越小,发生系统性失效的概率也越小。由此可见,信号线直接经过 TVS 的信号端焊盘,防护效果更佳。

图 2 仿真设计
下面对微带线的寄生电感及感抗进行简单估算。微带线的寄生电感包括自感和回路电感,需先计算单位长度电感 LSUB,再乘以走线长度 Length。其中,W 为微带线宽度,取值 0.2mm;h 为介质厚度(微带线到参考地平面的距离),取值 0.5mm。总寄生电感 L 如式(2)所示,感抗 XL 如式(3)所示。以 100MHz 的 ESD 杂讯为例,当 Length = 50mil(即 1.27mm)时,感抗相当于在静电的低阻抗泄放路径上增加了 0.37Ω 的串接电阻,会对静电的有效泄放产生一定的负面影响。




在设计印制电路板时,若 TVS 地端的焊盘未就近打过孔,而是经过一段微带线打过孔到内层地,如图 3(b)所示,这与 T 型走线问题类似,由于 TVS 路径上走线较长,导致高频特性阻抗偏大,不利于静电泄放,从而使经过信号路径上的静电能量增大,甚至超过负载端的承受范围,引发功能异常。对产品进行 ESD 管脚注入测试发现,图 3(a)的设计在 6.5kV 时就会出现功能异常,外部端口无法识别;而图 3(b)的设计能通过 8kV 测试。

图 3 TVS 布局设计
图 4(a)的 3D 设计包含一段带有防护电路分支的微带线、介质层和参考地。仿真时,以防护器件 TVS 的地端焊盘到地过孔之间的导线长度作为参数变量 Dis 进行分析;静电发生电路和仿真电路参考图 2(b)和图 2(c)。分别设置参数变量 Dis 为 40mil、80mil、120mil 进行仿真,电压探针的测试结果如图 4(b)所示,负载端的干扰电压分别为 5.6V、8.5V 和 10.8V。这表明防护器件 TVS 的地端焊盘到地过孔之间的导线长度越短,负载端接收到的干扰电压越小,发生系统性失效的概率也越小。由此可见,TVS 地端焊盘到地过孔之间距离越短,防护效果越好。计算分析过程可参照 T 型走线问题,不良设计同样是由于防护器件的引线过长,导致静电泄放路径上的感抗偏大,对静电的有效泄放造成负面影响。

图 4 仿真设计
音频模块采用的模拟信号数据传输,其抗干扰能力相对数字信号较弱。因此,在模拟信号的抗干扰电路设计中,除了使用 TVS 外,还会添加去耦电容和铁氧体磁珠作为二级滤波单元和三级滤波单元。对产品进行 ESD 管脚注入测试发现,图 5(a)所示设计能通过 8kV 测试;而图 5(b)所示设计在 7kV 时就会出现功能异常,设备声音丢失,需重启才能恢复。经分析,这与以下因素有关:
- TVS 和电容响应时间差异:TVS 的响应时间可达 ps 级,而电容的响应时间为 ns 级。若 TVS 和电容紧挨着摆放,经 TVS 泄放后的主线路上的静电干扰信号,可能在电容响应之前就已传递到后端。
- TVS 的地端和电容的地端距离太近:经 TVS 泄放的静电干扰信号,部分能量会经电容回流到信号线上,影响防护效果。
- 滤波电路组态问题:LC 型和 CL 型滤波电路的应用效果存在差异。本选用的是某型号 3300pF 容值的多层陶瓷电容器,其频率特性如图 6(a)所示;选用的磁珠是 600Ω 的铁氧体磁珠,其频率特性如图 6(b)所示。已知静电干扰信号的能量主要集中在 30 - 500MHz,在此频段内,所选电容的阻抗在 1Ω 以下,所选磁珠的阻抗在 300Ω 以上。而本的负载在 10Ω 量级,考虑到源端静电发生电路的内阻以及测试辅助工具引入的阻抗,源端阻抗远大于负载端,因此选择 LC 型的滤波设计效果更优。

图 5 防护电路布局设计

图 6 电容和磁珠的频率特性
图 7(a)中,自源端到负载端依次为激励端口、TVS、磁珠、电容、负载端口;图 7(b)中,自源端到负载端依次为激励端口、TVS、电容、磁珠、负载端口。在 3D 全电波仿真生成的仿真电路模型上,依次加入外部端口、静电发生电路、TVS、电容、磁珠的 S 参数模型以及负载和探针。电路搭建完成后,添加瞬态任务,设定信号波形,然后开启仿真。仿真结果如图 9 所示,种设计仿真得到的负载端干扰电压值约为 0.8V;第二种设计仿真得到的负载端干扰电压值约为 1.6V。由此可见,即使 TVS 的选型和布局设计相同,后端滤波电路设计的差异也会影响信号线路的整体防护效果。因此,在进行防护电路设计时,需注意 TVS、电容、磁珠等器件的协同工作,以达到更好的防护效果。

图 7 接口电路仿真布局设计

图 8 仿真电路设计

图 9 负载端干扰电压仿真结果
通过理论研究、实际测试以及仿真分析,可以得出以下结论:
- 减小引线长度:应尽量减小 TVS 信号端及接地端的引线长度,以减小引线的感抗。建议 TVS 信号端引脚到被保护信号线之间的引线长度不超过 20mil,TVS 接地端引脚到地过孔的距离不超过 50mil。
- 注意器件协同工作:为达到防护效果,TVS 配合电容、磁珠等器件进行 ESD 防护时,要注意器件的组态和摆放位置。TVS 和电容尽量分开接地,TVS 靠近外部接口摆放,距离接口位置不大于 200mil。当负载端(被保护芯片)阻抗较大时,建议电容靠近负载端摆放;当源端(静电信号注入端)阻抗较大时,建议电容靠近源端摆放。