ESD防护
参考文章
ESD 代表静电放电，许多材料都会积累电荷，这些电荷放电可以达到很高的电压【可以高达几千伏】，尽管电流可能很小，但是因为压差很大，其电流脉冲就会很大，产生高热量，这将损坏 PCB 板和上面的元件和导体。因此，一定要考虑到 ESD。
可以戳参考文章来详细了解 ESD，这里我尽量浓缩，突出重点。
ESD 如何损坏 PCB 的？
A.损坏集成电路
也就是我们常说的芯片，芯片中的 PN 结很多，遇到 ESD 就会发生两种击穿【雪崩击穿和齐纳击穿】这两种击穿都是电击穿，是可逆的，但怕就怕在电击穿的同时产生瞬态大电流直接将 PN 结热击穿这是不可逆的，因此需要考虑保护芯片。想要将保护电路集成在芯片内有点难度，而且即便集成在芯片内，其耐性也不是很高。为此我们更希望 ESD 在进入芯片前就被泄放掉，所以我们需要再导通的瞬间控制电流，一般会在保护二极管再串上一个高电阻，有时我们还会放两级 ESD 保护，双重保险。
B.损坏连接器附近的元件
可以说，连接器就是 ESD 的来源，尽管连接器不是 ESD 源，但是连接器上面会聚集静电荷，这将会引起 ESD，因此连接器上的金属护罩和浮动引脚都是产品易发生 ESD 事件的常见位置。处理浮动引脚的解决方法就是将其接地，在 PCB 设计的时候，很多连接器都会有很大的 GND 引脚，这就是其原因。
PCB 中 ESD 保护电路常用元件
| 名称/性能特点 | TSS(固体放电管) | GDT( 气体放电管) | TVS 二极管 | 压敏电阻(MOV) |
|---|---|---|---|---|
| 保护方式 | 负阻 | 负阻 | 钳位 | 电压保护 |
| 原理 | 可控硅结构 | 惰性气体电离导电 | 雪崩击穿 | 过压 |
| 响应时间 | <1ns | >1us | >1ns | ≈25ns 左右 |
| 电容 | 50pF 左右 | 1pF 左右 | 50pF 左右 | 100pF 以上 |
| 最大瞬时电流 | 3000A | 20000A | 50A | 10000A 以上 |
| 最大漏电流 | 1uA | 1pA | 20uA | 几百 uA |
| 重复使用/可靠性 | 无限重复使用 | 可能退化 | 可能损坏 | 重复使用，也可一次使用 |
| 主要优点 | 无限重复、快速响应、工作稳定 | 瞬时电流大 | 低压使用、廉价 | 反应速度快速、低漏电流 |
TVS 二极管
瞬态电压抑制二极管 【Transient Boltage Suppressor】 介绍
参考文章：
知乎作者李工谈元器件的文章TVS 瞬态抑制二极管工作原理？怎么使用瞬态抑制二极管？一文全部总结
博客园作者Wcat的文章搞懂TVS管，有这篇文章就够了
齐纳二极管具有钳制电压的效果，当电压突增，齐纳二极管就会齐纳击穿，致使电压进入 GND 而不经过保护电路。但我们有是并不需要它的钳制电压功能，而更需要其快速的响应时间(ns 级)和更高的浪涌吸收能力，为此出现了更可靠 TVS 浪涌抑制二极管。
TVS 浪涌二极管可以提供更高的电压抑制，TVS 浪涌二极管还分两种类型：单向瞬态抑制二极管和双向瞬态抑制二极管。
典型齐纳二极管保护电路
单向瞬态抑制二极管保护电路
TVS 瞬态抑制二极管与要保护的电路并联。正常电压条件下，它可以视为开路，但存在少量漏电流。当 ESD 正周期时，它雪崩击穿，与保护电路分流，起到保护后面的电路免受高电流的损害。ESD 负周期时，电流从 GND 通过它到达 Vin【Vin 处于高负压】。等到 ESD 结束，它就会自恢复。
双向瞬态抑制二极管保护电路
双向瞬态抑制二极管可以做到在 ESD 负周期时【Vin 低负压】的时候不导通，【Vin 高负压】的时候导通。
TVS 两种二极管的 VI 特性
单向 TVS 与双向 TVS 相比，单向二极管再正方向具有更高的导通电压。
TVS 二极管通常用于低能量电路和系统中的分流/钳位，以及电路中的ESD 保护。瞬态电压抑制二极管的应用可以在数据和信号线、微处理器和 MOS 存储器、AC/DC 电源线和电信设备中找到。
在中高频电路上，我们思考的东西越来越多，在低频时，我们可以认为导线没有阻值和寄生电感，而在中高频中，就需要考虑阻抗匹配…这里也是如此，想要更好的做到 ESD 保护，就要从 TVS 二极管周围的阻抗去分析。
GDT 气体放电管
参考文章
CSDN上作者Mickey_mu的文章初识EMC元器件（九）——气体放电管的参数解读及选型应用
CSDN上作者dianlubaohu的文章气体放电管（GDT）六大应用案例
GDT 气体放电管即【Gas Discharge Tube】，是一种陶瓷或玻璃封装，内部充有一定量的惰性气体，管内有两个或多个电极的保护器件。
功能：气体放电管应用原理是气体放电，GDT 并联在保护电路前端，正常电压时，因为里面是惰性气体，其阻值可达 GΩ，可以视为开路；当遇到 ESD 超过气体击穿电压时，就会引起气隙放电，限制两端电压，起到保护电路效果。
两端 GDT 和 三端 GDT【三端中间脚接地】
气体放电管的续流电压大概在十几-几十伏，如果单独使用在电源两端时，当工作电流大于这个电压值时，GDT 就会一直导通，因此最好配上压敏电阻使用。
MOV 压敏电阻
压敏电阻(Varistor)，Voltage Dependent Resistor(VDR)常用以氧化锌作为材料。所以也能Metal Oxide Varistor来称压敏电阻。在台湾地区，压敏电阻器通常被称为突波吸收器或电冲击抑制器
用途
上图中有两种材质的压敏电阻：
- SiC 压敏电阻
- ZnO 压敏电阻
这里，我们再补充一个SiC压敏电阻(已被淘汰)被淘汰的原因如下
- 对电压冲击的反应不够灵敏
- 曲线过于平缓，漏电流会比较大(无冲击下，也有电流通过)
具体的应用场景
一般 MOV 是要并联在要保护的电路网络上的，这样，当强电压浪涌(比如雷击浪涌)经过 MOV 时，
流经 MOV 的电流极具增大，这样流向被保护电路网络的电流减少，防止要保护的电路网络被损
坏。
进阶
压敏电阻(MOV)在长时间的接受高压和多次承受高压后，其性能会大打折扣，这意味着需要更换，而何时更换成，大家并不清楚，于是我们就想，可不可以让压敏电阻 (MOV) 和 保险丝(Fuse) 结合起来。
- TMOV Varistor:压敏电阻和保险丝串联结合，形成一个器件.
- iTMOV Varistor:三个引脚，与TMOV Varistor相比，在串联的压敏电阻和保险丝之间多引出来了一个引脚.
高压变压站和传输站等，更容易被雷击，因此我们需要更大的压敏电阻。下图中器件就是大型压敏电阻器。
TSS 固态放电管
参考文章
CSDN作者dianlubaohu的文章【TSS】半导体放电管的特点与典型应用
半导体放电管【Thyristor Surge Suppresssors】，也称浪涌抑制晶闸管，是一种采用半导体工艺制成的 PNPN 结四层结构器件，其伏安特性与晶闸管类似，具有典型的开关特性【有时会直接称作 SCR，记忆即可，不推荐这要称呼，容易产生歧义】。一般并联在电路中起到防止操作失误/ESD 等产生高压的损坏电路的情况。
半导体放电管TSS广泛应用于通信、安防、工业等电子产品的通信线保护中，电话机、传真机、Modem、XDSL终端、T1/E1接口、仪器仪表、及其配线架、RS485/232数据线、以太网、CATV设备、安防产品、远程监控、远程抄表等产品中。
其电气图有时为 SCR 的电气图，有时为特定符号：
PCB 布局中的 ESD 保护
优化 TVS 周围的阻抗
电感阻抗随着 L 值的增大而增大，因此提高 L4 ，就会使 ESD 进入受保护电路遇到的阻抗变大，如此，ESD 便会另寻它路，被我们通过 TVS 保护电路强制接地。
限制静电放电 EMI
ESD 本身就是电压突增，我们在学习 EMC 的时候就知道 EMI 产生的原因:
是高电压大电流就会产生电磁干扰吗？实际上变化的电压、电流才是产生骚扰的主要因素。
即
； 典型的电磁骚扰源有：
开关电源、雷击 ESD、数字电路、逆变电路……
它们产生电磁干扰的原因就是因为其电压、电流在变化。
从上图就可以看到，靠近的导线受到了严重的 EMI 电磁干扰【耦合路线：受保护线路和相邻未受保护线路可以抽象为电容，这会使浪涌电压在两条线路之间传递】。因此就要考虑 EMC 保护 ，那太麻烦了，干脆不要在这片区域去布线就好了。【抑制电路区域远离其他电路和未受保护的走线】减少敏感源的同时还需要降低骚扰源程度，想要降低骚扰源骚扰程度，就要知道限制 EMI 的一种方法就是尽量使用直线和短路径【短路径好理解，直线是因为拐弯会辐射 EMI】
因此在 PCBlayout 的时候，要尽量保证ESD源到抑制电路再到受保护电路的路程尽量短且尽量保证是直线。
合理VIA(过孔)
可以借过孔的寄生电感来减少不必要的走线。我们在前面说”要使受保护的电路尽量远离抑制电路，以增加 L4 的值”，既然过孔有寄生电感，那将这寄生电感与 L4 电感串联在一起，就增大了 L4 的值，如此就可以节省板材…
除此之外，我们要尽量 ESD 抑制电路的 GND 引脚直连 GND，如果不能，也要多打地过孔。
ESD退耦
该部分于2026年3月8日更新添加
什么时候考虑退耦？
一般的，大功率设备的ESD防护部分，并不会仅仅使用一级ESD防护，可能会用MOV(压敏电阻)+GDT(气体放电管)作为一级ESD防护，随后接TVS(瞬态抑制二极管)作为二级ESD防护，在文章的开篇，我们就列出了数据对比表 (也可以看下图)，注意到二级ESD防护器件的响应速度要高于一级ESD防护器件，那么就会出现问题——一级防护没有反应过来，二级防护就被击穿了。这个时候，我们就需要考虑ESD退耦了！
我们会使用，空心电感 和 功率电阻 进行退耦
空心电感
对于电源接口保护，根据 GB-50057-2000 第6.4.11条规定 ：两防雷级之间应保证有5m间距，即保证其电感值为8uH。5m距离不太现实，不过我们可以使用电感来达到8uH。不过，在此之前，我们需要思考，为什么是空心电感呢？
实际上，空心电感更 耐高压 ，抑制干扰强，自感低，且 抗磁饱和强 ，因此，我们选择空心电感而不使用一般的电感。
功率电阻
对于信号接口保护，使用电感就会影响信号的质量，因此我们会使用电阻或者PTC，它不影响高频信号，可以起到信号接口防护
- 功率电阻的功率至少大于1W
- 功率电阻的阻值要保证在5Ω左右，过高会影响信号质量，过低会起不到退耦的作用
- 对于PTC，使用PTC8为佳
芯片中的 ESD 保护
芯片中常用的防止 ESD 的元件有GGNMOS、GCNMOS、Bipolar 等，因为这是芯片设计工程师的工作，我们在这里就不再过多的描述这些，喜欢的同学可以戳来自 YouTube 上 ESD 教程进行细致的了解……
