ESD 器件

概要：本文介绍了静电放电（ESD）及其对电子设备的影响，并详细阐述了几种常见的 ESD 保护器件（如 TVS、MOV、气体放电管）的原理、特点及选型建议。文中还提供了 USB 和网口等接口的实际 ESD 防护设计示例，帮助读者理解如何在实际电路设计中进行有效的 ESD 防护。

1. 静电放电（ESD）概述

裸手接触单板，单板不能工作了，怎么回事？？

静电放电（ESD，Electrostatic Discharge）：带有不同静电电势的物体或表面之间的静电电荷转移。

1.1 ESD 的两种形式

• 接触放电
• 电场击穿放电

1.2 ESD 的危害及应对

ESD 保护元件的作用：

• 转移来自敏感元件的 ESD 应力，使电流流过保护元件而非敏感元件
• 维持敏感元件上的低电压
• 具备低泄漏和低电容特性，不降低电路功能
• 不损害高速信号
• 在多重应力作用下依旧保持功能稳定

常见 ESD 保护元件：

• 瞬态电压抑制器（TVS）
• 压敏电阻（MOV）
• 气体放电管

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2. 静电的基本特性

• 高电位：可达数万至数十万伏，操作时常达数百至数千伏（人通常对 3KV 以下静电不易感觉到）
• 低电量：静电流多为微安级（尖端瞬间放电例外）
• 作用时间短：微秒级
• 受环境影响大：湿度升高，静电积累减少，静电电压下降

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3. TVS（二极管）

3.1 概述

• TVS（Transient Voltage Suppressor）瞬态抑制二极管
• 电气特性由 P-N 结面积、掺杂浓度及晶片阻质决定

3.2 特点

• 反应速度快（pS 级）
• 体积小
• 位电压低
• 可靠性高

3.3 TVS 的选型建议

• 最大钳位电压 < 电路允许的最大安全电压
• 截止电压 > 电路的最大工作电压（略大于）
• 最大脉冲功率 > 最大瞬态浪涌功率

3.4 特性曲线说明

• 截止电压：TVS 管开始工作的“门槛”
• 最大钳位电压：TVS 管全力工作时提供的“保护上限”

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4. MOV（压敏电阻）

• 响应时间为 ns 级，比空气放电管快，比 TVS 稍慢
• 多用于电子电路的过电压保护
• 结电容范围：几百到几千 Pf，不宜用于高频信号线路
• 应用于交流电路时，结电容较大，需考虑漏电流问题
• 通流容量较大，但小于气体放电管

用于电源、USB2.0、232 等频率不高的场景

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5. 气体放电管

5.1 优点

• 通流容量大
• 极间电容小（≤3pF）
• 绝缘电阻高（≥10⁹Ω）
• 基本无漏电流

5.2 缺点

• 击穿电压分散性大（±20%）
• 响应速度较慢（最短 0.1 ～ 0.2μs）
• 可靠性差，多次冲击易老化

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6. 保护器件比较

特性	TVS	MOV	气体放电管
响应速度	高	中	低
通流能力	低	中	高
寄生电容	中	高	低

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7. ESD 设计要点

• 高低电压的爬电距离（1.4mm）
• 地的跨接与隔离
• 面板开关防护
• 隔离变压器的运用

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8. USB 防护示例

8.1 共模电感 L1（WCM-2012-900T）

• 功能：抑制共模干扰（EMI）和抑制高频脉冲功率向芯片传递。对于 ESD，能在一定程度上限制瞬态电流上升（di/dt），配合后级 TVS 吸收能量。
• 特点：尽量选择具备高共模阻抗但对差模信号损耗小的滤波器，以免影响 USB 信号完整性。

8.2 TVS 二极管 D1/D2/D3（BV05C）

• 功能：在静电或瞬态电压超过其击穿电压时导通，将瞬态能量钳位到安全电平并引导到地（PGND），保护芯片端口。
• 连接方式：图中 D1、D2、D3 看起来是分别对 D-、D+ 和可能的 VBUS/GND 或公共线进行保护（需确认封装与引脚对应）。BV05C 系列通常是用于高速数据线的低电容 TVS，低电容能减少对 USB 信号的影响。

8.3 地（GND 与 PGND）分离

图中专门标出 PGND（用于电源/屏蔽/TVS）与 GND（芯片/信号地）。TVS 接到 PGND 意味着把 ESD 能量导向 PCB 的电源地/机械壳体地，避免直接冲击信号地或敏感模拟地。 在 PCB 布局中需提供低阻抗的回流路径，并在 GND/PGND 交界处（例如在靠近 TVS 的地方）做单点接地或短金属化连接，以避免环路干扰或地弹起（ground bounce）。

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9. 网口防护示例

9.1 输入侧元件与布局

• RJ45 插座与接地

  • 插座壳体与机箱地良好连接（通常外壳接地），当发生大电流冲击时让部分电流经屏蔽回路泄放，减轻对芯片的直接冲击。
  • 注意外壳接地回路的低阻抗；若接地不良，外壳反而可能辐射或将脉冲耦合到设备内部。

• D4（图中靠近 RJ45 的 TVS / BS3500N-C）

  • 这是放在插座侧、接向接地或芯片侧的瞬变抑制元件（TVS 或气体放电管/双向瞬态抑制器）。
  • 功能：在高压突变时迅速导通，将能量钳位到安全电平并引导到地或外壳。
  • 选型要兼顾钳位电压、漏电流、吸收能量能力与容抗（对高速差分信号不能直接并联大电容）。
  • 布局靠近 RJ45，从线缆来的脉冲先被这里钳位/分流，减少进入内部。

9.2 共模抑制与高频滤波

• L4/L5/L6（FBMA-11-160808-601A10T）
  • 铁氧体磁珠，对在转换点的噪声呈阻性，吸收噪声，用于高频噪声抑制

9.3 隔离变压器（T1）

• 提供电气隔离
• 抑制共模干扰
• 降低瞬态传导到 PHY 端

9.4 TVS（二次保护：D1/D2）

• BV03CW：双向/共模 TVS
• 低电容、快速响应、靠近 PHY 或变压器二次侧布局

9.5 高压电容

• 信号地与机壳地通过高压电容连接
• 导通高频噪声，改善 EMC 性能
• 保留直流隔离，避免地环路大电流

9.6 浪涌保护器件（D3）

• C12（1000pF/2kV 电容）

  • 吸收尖刺电压，快速导入地

• 75Ω 电阻（75R）

  • 限流与防振荡作用

• D3：晶闸管浪涌保护器件（TSPD）

  • 正常不导通，浪涌时导通泄放能量
  • 钳位保护后恢复正常