通过瞬态电压抑制(TVS)二极管对敏感电子产品进行ESD保护正在成为各行各业的常用电路技术。人类可以触摸的电路中的信号线(如USB、HDMI等)要求所有输入到某些IC的敏感信号线都有ESD保护。在电路板上放置ESD保护二极管相对于它们所保护的IC起着重要的作用。在ESD等瞬态条件下,了解PCB信号迹线的行为是很重要的。作为一个例子,带有TVS二极管的I2C总线扩展器的简单原理图如图1所示。
该电路在瞬态ESD下的真实模型如图2所示。
PCB走线将根据其长度具有与之相关的电感。考虑SDA信号跟踪。连接以下点的轨迹长度非常重要:
- 从节点A到二极管阴极的轨迹长度。
- 从二极管阳极到地连接点的迹线长度。
- 从节点A到IC输入引脚的迹线长度。
换句话说,ESD保护二极管必须尽可能靠近它所保护的引脚,并且它与参考平面的连接必须尽可能靠近阳极引脚。否则,这些点之间的迹线电感可能足够大,由于IC的输入电容和迹线的杂散电容,可能形成槽电路。油箱电路可能在超过IC输入电压能力的电压下振荡,并可能对IC造成实质性损坏。
该场景在LTSpice中建模。图3显示了在LTSpice中创建的原理图。它由两部分组成。第一部分是基于IEC 61000-4-2测试方法的ESD人体模型。第二部分是图2中跟踪SDA的表示。图3表示的是一个二极管(10Vclamp),在上面列出的所有点上正确放置了非常短的走线,从而导致非常小的走线电感。图4显示了基于CMOS的输入电压(由电容表示)。
当ESD保护二极管通过尽可能短的走线正确放置时,ESD脉冲被二极管箝位到安全水平。这个二极管和它的放置工作很好地保护IC免受ESD。
另一方面,图5显示了一个未正确放置的二极管(10Vclamp)的原理图。图2中从节点A到二极管阴极的轨迹约为1英寸长,估计约为1nh。从阳极到地的迹线约为0.03英寸,估计约为250 ph值。图6显示了CMOS输入端的电压(由电容表示)。
图6清楚地显示了连接二极管阴极到信号线节点和二极管阳极到地的长走线的效果。所观察到的振荡在21V处达到峰值,在由迹电感、线路杂散电容和IC输入电容决定的频率处呈环形。
结论
为了最大限度地减少由于ESD引起的I/O线振荡,并避免IC损坏,必须确保以下内容:
- 夹紧(TVS)二极管必须放置在尽可能靠近IC引脚的位置。
- 通向二极管阴极的迹线必须尽可能短。
- 从二极管阳极到地返回的迹线必须尽可能短。