爱好者设计的ESD保护技巧

我终于开始为个人项目进行简单的PCB设计，并且我担心板的裸露部分（例如USB端口）的ESD保护。我知道腕带的工作原理，并且了解现代CMOS IC输入上的钳位二极管之类的东西（而且我发现很多文章基本上只讨论了那些东西），但是我对分立的ESD保护器件更好奇。我应该如何选择和使用它们？是否有讨论设备范围以及如何应用它们的常规教程？我发现一些不错的文章讨论了TVS的工作原理，但是在什么情况下它们是合适的解决方案，为什么我会选择它们而不是其他设备，等等。

这是一个非常棒的问题，因为它涉及到“初学者”（如果可能的话）通常对以下事物没有好感的两件事：

• 电气保护和调节的重要性
• 在哪里放置电气保护

这是您应该做的：

You should protect any outgoing and incoming electrical signals that a user will touch

退出电路板的所有I / O线都可能连接到ESD源-不管是其他设备还是人。保护纯输出的最简单方法是用一个门（许多74和4000系列零件来对其进行缓冲），或者在模拟输出的情况下使用一个运放。对于纯输入，您将希望使用齐纳/ TVS +系列电阻器作为保护此类线路的最简单方法。

但是，您还应该记住，大多数（如果不是全部）您可能要使用的微控制器和其他设备都具有内置的ESD保护，有时甚至是非常好的东西。它们同时具有（微）齐纳二极管和肖特基接地/肖特基至Vcc保护，基本上可以解决您的所有烦恼。为了增强您的设计，您可能仍想在输出和输入线路上添加大约1kohm的串联电阻-如果这不影响操作。

警告：所有MCU CMOS输入/输出均具有保护功能，但这并不意味着所有输出均具有此保护功能。例如，众所周知，漏极开路输出（通常用于I2C外设）对ESD敏感，因此需要额外的输入保护。

USB线对ESD也非常敏感。然而，由于这些设备的相对较高的电容，标准的齐纳二极管（特别是TVS）将无法满足要求。高速总线需要专用的保护二极管，例如NXP PRTR5V0U4D。这些设备只是通向电源线的肖特基二极管，因此，如果您还没有这样做的话，还需要对电源进行过压保护！

You should protect and condition all incoming power lines

在破坏性事件方面，电力线是您最大的敌人。当然，电路板上的故障可能会导致过大电流流过并引起火灾-这就是我们使用保险丝的目的。如果您希望出现这种情况，请务必将板子熔断。不太可能-只是可能性就足够了。不用担心保险丝的额定值，它不需要与电路板的预期电流紧密匹配。保险丝的唯一功能是防止火灾，因此请确保这样做！

但是，持续的高电流并不是电源线可能发生的唯一情况。进入的电源线通常是长导线，具有较高的电感-通常约为µH或数十µH。如果您的应用消耗1A电流，则意味着在稳态下，此（寄生）电感将包含$E=\frac{1}{2}LI^2$，使用该电源线，其数量级将为µJ。如果用户现在突然断开电源线的连接，则电流路径将断开，但是电源线中仍然有此能量需要损耗。释放能量的方式是通过在断开设备连接后立即发生的火花产生的-在连接或断开设备连接之前，您可能已经看到了这种“感应踢”火花。即使通常只有1-100µJ的能量，当放电到低电容总线中时，这也会引起危险的高压尖峰，从而损坏微电子器件。

这就是为什么在电源线上包括TVS或MOV是好的做法。当然，一些大容量电容也非常受欢迎。

On-board protection and conditioning is very seldomly necessary

初学者经常到处都带有保险丝和保护装置。这是没有必要的，尤其是如果用户或其他ESD来源无法接触这些线路。EMI保护也是如此-通常只是不必要，如果您遇到EMI问题，通常有更好的方法来解决这些问题（例如通过端接或缓冲来降低源/负载阻抗）。