NUP2105L硬件接口电路的ESD防护

日常生活中，ESD (Electro-Static Discharge，静电放电)对于我们来说是一种常见的现象，然而对电子产品而言，ESD往往是致命的——它可能导致元器件内部线路受损，直接影响产品的正常使用寿命，甚至造成产品的损坏。

一个良好的电子系统设备应该在电路设计的最初阶段就考虑瞬态保护要求。如果将释放的静电看成是洪水的话，那么主要的解决方法与治水类似，就是“堵”和“疏”。保护电路的基本原理是，使用电压箝位电路阻止高压进入，同时提供大电流分流通道。有多种电路设计可以达到ESD保护的目的，但选用时必须考虑以下原则，并在性能和成本之间加以权衡：

■速度要快，这是ESD干扰的特点决定的；

■能应付大的电流通过； 

■考虑瞬态电压会在正、负极性两个方向发生；

■对信号增加的电容效应和电阻效应控制在允许范围内；

■考虑体积因素；

■考虑产品成本因素。

我们通常建议尽可能把ESD二极管放置距ESD干扰源最近的地方。最好放在I/O接口或键盘按键的侧边。理想的外部TVS器件将吸收浪涌脉冲的全部能量，但在实际应用中部分浪涌电流会通过集成电路的内部保护电路。限制电流到内部保护电路的方法是串联电阻。

ESD保护器件

由于片上ESD保护电路能力有限，为保证整个系统有较好的ESD防护能力，外部ESD保护器件是必不可少的。比较常见的有陶瓷电容、齐纳二极管、肖特基二极管、MLV(Multi-Layer Varistor，多层变阻器)和TVS（Transient Voltage Suppresser瞬态电压抑制器）。

MLV是一种基于ZnO压敏陶瓷材料，采用特殊的制造和处理工艺而制得的高性能电路保护元件，其伏安特性符合I=kVa，能够为受保护电路提供双向瞬态过压保护。MLV的工作原理是利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。目前，MLV在很多领域得到了广泛的应用，如手机、机顶盒、复印机等等。

电子产品轻薄化的发展趋势使其对ESD防护要求越来越高，MLV渐渐有些力不从心，TVS二极管则开始崭露头角。TVS通常并联于被保护电路，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。由于TVS二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点，具有理想的保护作用。 改进后的TVS二极管还具有适应低压电路（＜5 V）的特点，且封装集成度高，适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用。

比如：NUP2105L CAN总线保护器是一个27伏(V)的2双向瞬态电压抑制器(TVS)，用以保护高速和容错CAN网中的收发器免受EMI和ESD的影响。

产品整体设计方面：

1 产品的结构设计 

如果我们设计的产品有一个理想的壳体是密不透风的，静电也就无从而入，当然不会有静电问题了。但实际的壳体在合盖处常有缝隙，而且许多还有金属的装饰片，所以一定要加以注意。

其一，用“堵”的方法。尽量增加壳体的厚离，即增加外壳到电路板之间的距离，或者通过一些等效方法增加壳体气隙的距离，这样可以避免或者大大减少ESD的能量强度。 

通过结构的改进，可以增大外壳到内部电路之间气隙的距离从而使ESD的能量大大减弱。根据经验，8kV的ESD在经过4mm的距离后能量一般衰减为零。 

其二，用“疏”的方法，可以用EMI油漆喷涂在壳体的内侧。EMI油漆是导电的，可以看成是一个金属的屏蔽层，这样可以将静电导在壳体上；再将壳体与PCB（Printed Circuit Board）的地连接，将静电从地导走。这样处理的方法除了可以防止静电，还能有效抑制EMI的干扰。如果有足够的空间，还可以用一个金属屏蔽罩将其中的电路保护起来，金属屏蔽罩再连接PCB的GND。

总之，ESD设计壳体上需要注意很多地方，首先是尽量不让ESD进入壳体内部，最大限度地减弱其进入壳体的能量。对于进入壳体内部的ESD尽量将其从GND导走，不要让其危害电路的其它部分。壳体上的金属装饰物使用时一定要小心，因为很可能带来意想不到的结果，需要特别注意。 

2 产品的PCB设计 

现在产品的PCB（Printed Circuit Board）都是高密度板，通常为4层板。随着密度的增加，趋势是使用6层板，其设计一直都需要考虑性能与面积的平衡。一方面，越大的空间可以有更多的空间摆放元器件，同时，走线的线宽和线距越宽，对于EMI、音频、ESD等各方面性能都有好处。另一方面，数码产品设计的小巧又是趋势与需要。所以，设计时需要找到平衡点。就ESD问题而言，设计上需要注意的地方很多，尤其是关于GND布线的设计以及线距，很有讲究。有些产品中ESD存在很大的问题，一直找不到原因，通过反复研究与实验，发现是PCB设计中的出现的问题。

为此，这里总结了PCB设计中应该注意的要点： 

(1)PCB板边（包括通孔Via边界）与其它布线之间的距离应大于0.3mm； 

(2)PCB的板边最好全部用GND走线包围； 

(3)GND与其它布线之间的距离保持在0.2mm～0.3mm； 

(4)Vbat与其它布线之间的距离保持在0.2mm～0.3mm;

(5)重要的线如Reset、Clock等与其它布线之间的距离应大于0.3mm; 

(6)大功率的线与其它布线之间的距离保持在0.2mm～0.3mm； 

(7)不同层的GND之间应有尽可能多的通孔（VIa）相连； 

(8)在最后的铺地时应尽量避免尖角，有尖角应尽量使其平滑。

3 产品的电路设计 

在壳体和PCB的设计中，对ESD问题加以注意之后，ESD还会不可避免地进入到产品的内部电路中，尤其是以下一些端口：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机及其他各类数据传输接口，这些端口很可能将人体的静电引入内部电路中。所以，需要在这些端口中使用ESD防护器件。

以往主要使用的静电防护器件是压敏电阻和TVS器件，但这些器件普遍的缺点是响应速度太慢，放电电压不够精确，极间电容大，寿命短，电性能会因多次使用而变差。所以目前行业中普遍使用专业的“静电抑制器”来取代以往的静电防护器件 。“静电抑制器”是专业解决静电问题的产品，其内部构造和工作原理比其他产品更具科学性和专业性。它由Polymer高分子材料制成，内部菱形分子以规则离散状排列，当静电电压超过该器件的触发电压时，内部分子迅速产生尖端对尖端的放电，将静电在瞬间泄放到地。它最大特点是反应速度快（0.5ns～1ns）、非常低的极间电容（0.05pf～3pf），很小的漏电流（1μA），非常适合各种接口的防护。 

因为静电抑制器具有体积小（0603、0402）、无极性、反应速度快等诸多优点，现在的设计中使用静电抑制器作为防护器件的比例越来越多，在使用时应注意以下几点：

1、将该器件尽量放置在需要保护的端口附近；

2、到GND的连线尽可能短;

3、所接GND的面积尽可能大。