在當(dāng)今電子設(shè)備高度普及的時代，靜電放電（ESD）對電子設(shè)備的危害日益受到關(guān)注。瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）作為一種常用的靜電防護器件，廣泛應(yīng)用于各種電源或信號電路中，用于抑制瞬態(tài)過電壓，保護電路元件免受瞬間脈沖電壓的損壞。TVS 具有響應(yīng)速度快、反復(fù)通斷壽命長、結(jié)電容小等優(yōu)點，在多媒體設(shè)備的靜電防護和浪涌防護設(shè)計中占據(jù)重要地位。然而，在實際設(shè)計中，即使 TVS 的選型和電路原理設(shè)計無誤，實際測試結(jié)果仍可能達不到預(yù)期。這可能是由于在印制板電路設(shè)計中，TVS 的布局布線不夠完善所致。本文將結(jié)合實際測試與仿真，詳細(xì)分析印制電路板設(shè)計布局布線中的關(guān)鍵點及其對防護效果的影響趨勢。

一、T 型走線的問題

（一）問題描述

在設(shè)計印制電路板時，由于空間限制或其他原因，信號線可能并非直接從 TVS 的焊盤上經(jīng)過，而是引出一個分叉，通過一段微帶線連接到 TVS 的焊盤上，如圖 1（a）所示。靜電泄放具有尋找阻抗路徑的特性，當(dāng)微帶線超過一定長度時，隨著長寬比的增加，在高頻狀態(tài)下會產(chǎn)生一定的感抗，從而對靜電泄放產(chǎn)生負(fù)面影響。對產(chǎn)品進行靜電放電（ESD）管腳注入測試發(fā)現(xiàn)，圖 1（a）所示設(shè)計雖然能通過 8kV 測試，但測試過程中屏幕會閃爍，測試后恢復(fù)正常；而圖 1（b）所示設(shè)計不僅能通過 8kV 測試，且無異常現(xiàn)象。

（二）仿真分析

圖 2（a）的 3D 設(shè)計包含一段帶有防護電路分支的微帶線、介質(zhì)層和參考地。在仿真時，以信號線到 TVS 信號端焊盤之間的導(dǎo)線長度作為參數(shù)變量 Length 進行分析；圖 2（b）為 8kV 的靜電信號發(fā)生電路；圖 2（c）是完整的仿真電路，其中綠色子模塊為 3D 結(jié)構(gòu)模型，外部端口 1 下方的子電路為 8kV 的靜電信號發(fā)生電路。3D 模型下方是 TVS 的參數(shù)模型，右側(cè)是負(fù)載。分別設(shè)置參數(shù)變量 Length 為 10mil、50mil 進行仿真，電壓探針測試結(jié)果如圖 2（d）所示，負(fù)載端的干擾電壓分別為 10.7V 和 6.3V。這表明信號線到 TVS 信號端焊盤之間的導(dǎo)線長度越短，負(fù)載端接收到的干擾電壓越小，發(fā)生系統(tǒng)性失效的概率也越小。由此可見，信號線直接經(jīng)過 TVS 的信號端焊盤，防護效果更佳。

下面對微帶線的寄生電感及感抗進行簡單估算。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 0.2mm；h 為介質(zhì)厚度（微帶線到參考地平面的距離），取值 0.5mm?？偧纳姼?L 如式（2）所示，感抗 XL 如式（3）所示。以 100MHz 的 ESD 雜訊為例，當(dāng) Length = 50mil（即 1.27mm）時，感抗相當(dāng)于在靜電的低阻抗泄放路徑上增加了 0.37Ω 的串接電阻，會對靜電的有效泄放產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

二、TVS 地端焊盤到地過孔的距離問題

（一）問題描述

在設(shè)計印制電路板時，若 TVS 地端的焊盤未就近打過孔，而是經(jīng)過一段微帶線打過孔到內(nèi)層地，如圖 3（b）所示，這與 T 型走線問題類似，由于 TVS 路徑上走線較長，導(dǎo)致高頻特性阻抗偏大，不利于靜電泄放，從而使經(jīng)過信號路徑上的靜電能量增大，甚至超過負(fù)載端的承受范圍，引發(fā)功能異常。對產(chǎn)品進行 ESD 管腳注入測試發(fā)現(xiàn)，圖 3（a）的設(shè)計在 6.5kV 時就會出現(xiàn)功能異常，外部端口無法識別；而圖 3（b）的設(shè)計能通過 8kV 測試。

（二）仿真分析

圖 4（a）的 3D 設(shè)計包含一段帶有防護電路分支的微帶線、介質(zhì)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(dǎo)線長度作為參數(shù)變量 Dis 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）。分別設(shè)置參數(shù)變量 Dis 為 40mil、80mil、120mil 進行仿真，電壓探針的測試結(jié)果如圖 4（b）所示，負(fù)載端的干擾電壓分別為 5.6V、8.5V 和 10.8V。這表明防護器件 TVS 的地端焊盤到地過孔之間的導(dǎo)線長度越短，負(fù)載端接收到的干擾電壓越小，發(fā)生系統(tǒng)性失效的概率也越小。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。計算分析過程可參照 T 型走線問題，不良設(shè)計同樣是由于防護器件的引線過長，導(dǎo)致靜電泄放路徑上的感抗偏大，對靜電的有效泄放造成負(fù)面影響。

三、TVS 和電容、磁珠協(xié)同工作的問題

（一）問題描述

音頻模塊采用的模擬信號數(shù)據(jù)傳輸，其抗干擾能力相對數(shù)字信號較弱。因此，在模擬信號的抗干擾電路設(shè)計中，除了使用 TVS 外，還會添加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(chǎn)品進行 ESD 管腳注入測試發(fā)現(xiàn)，圖 5（a）所示設(shè)計能通過 8kV 測試；而圖 5（b）所示設(shè)計在 7kV 時就會出現(xiàn)功能異常，設(shè)備聲音丟失，需重啟才能恢復(fù)。經(jīng)分析，這與以下因素有關(guān)：

1. TVS 和電容響應(yīng)時間差異：TVS 的響應(yīng)時間可達 ps 級，而電容的響應(yīng)時間為 ns 級。若 TVS 和電容緊挨著擺放，經(jīng) TVS 泄放后的主線路上的靜電干擾信號，可能在電容響應(yīng)之前就已傳遞到后端。
2. TVS 的地端和電容的地端距離太近：經(jīng) TVS 泄放的靜電干擾信號，部分能量會經(jīng)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 型濾波電路的應(yīng)用效果存在差異。本選用的是某型號 3300pF 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 600Ω 的鐵氧體磁珠，其頻率特性如圖 6（b）所示。已知靜電干擾信號的能量主要集中在 30 - 500MHz，在此頻段內(nèi)，所選電容的阻抗在 1Ω 以下，所選磁珠的阻抗在 300Ω 以上。而本的負(fù)載在 10Ω 量級，考慮到源端靜電發(fā)生電路的內(nèi)阻以及測試輔助工具引入的阻抗，源端阻抗遠大于負(fù)載端，因此選擇 LC 型的濾波設(shè)計效果更優(yōu)。
   

   

   
   圖 5 防護電路布局設(shè)計
   

   

   
   圖 6 電容和磁珠的頻率特性

（二）仿真分析

圖 7（a）中，自源端到負(fù)載端依次為激勵端口、TVS、磁珠、電容、負(fù)載端口；圖 7（b）中，自源端到負(fù)載端依次為激勵端口、TVS、電容、磁珠、負(fù)載端口。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(shù)模型以及負(fù)載和探針。電路搭建完成后，添加瞬態(tài)任務(wù)，設(shè)定信號波形，然后開啟仿真。仿真結(jié)果如圖 9 所示，種設(shè)計仿真得到的負(fù)載端干擾電壓值約為 0.8V；第二種設(shè)計仿真得到的負(fù)載端干擾電壓值約為 1.6V。由此可見，即使 TVS 的選型和布局設(shè)計相同，后端濾波電路設(shè)計的差異也會影響信號線路的整體防護效果。因此，在進行防護電路設(shè)計時，需注意 TVS、電容、磁珠等器件的協(xié)同工作，以達到更好的防護效果。

四、結(jié)論

通過理論研究、實際測試以及仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

1. 減小引線長度：應(yīng)盡量減小 TVS 信號端及接地端的引線長度，以減小引線的感抗。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 20mil，TVS 接地端引腳到地過孔的距離不超過 50mil。
2. 注意器件協(xié)同工作：為達到防護效果，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 200mil。當(dāng)負(fù)載端（被保護芯片）阻抗較大時，建議電容靠近負(fù)載端擺放；當(dāng)源端（靜電信號注入端）阻抗較大時，建議電容靠近源端擺放。