1. 概述

近年來，隨著電子設備尺寸不斷縮小、功能不斷增強以及移動終端和便攜式設備的廣泛普及，電源電壓不斷降低，1.0V和1.8V等低壓電源在芯片供電系統中扮演著非常重要的角色。在此類超低壓供電環境下，芯片對靜電干擾（ESD）的耐受能力極為有限，一旦遭遇靜電放電瞬間浪涌電壓，不僅會引發電路誤動作，還可能對核心器件內部結構造成永久損傷。因此，對于1.0V和1.8V兩個常見低壓軌，必須采用完善的靜電保護方案，確保系統在日常使用、生產測試及運輸過程中能夠平穩可靠地工作。本方案將圍繞1.0V和1.8V兩個供電軌展開，詳細論述靜電防護設計原則、器件選型、方案拓撲、布局布線設計以及各類保護器件的功能和選型原因，以期為工程師在實際項目中提供切實可行的參考。

2. 1.0V和1.8V電源靜電保護設計原則

在低壓電源靜電防護設計中，需遵循以下幾項基本原則：首先，防護器件必須具備極低的寄生參數。例如，鉗位電容（C_clamp）須控制在幾皮法以下，否則電容寄生將嚴重干擾系統開關紋波和時序；鉗位電壓（V_clamp）需盡量接近或低于被保護芯片的耐壓閾值，以便在瞬態過壓時迅速將浪涌電流導入地線；同時，漏電流（I_leak）要極小，否則會導致待機功耗升高或電壓軌漂移。其次，在1.0V與1.8V兩個電壓軌上，二者承受的壓差以及對保護器件的擊穿要求各有不同，1.0V供電軌往往對鉗位電壓余量要求更嚴格，一旦鉗位閾值過高，很容易造成芯片內部PN結擊穿；而1.8V供電軌則相對寬松，但仍需選擇合適的元件以保證鉗位電容和鉗位電壓在安全范圍內。再次，布局與布線設計要遵循“先短后長、先粗后細、先平后彎”的原則，將大電流、易產生噪聲或靜電能量的路徑縮短，以降低寄生電感與電阻；同時保證保護器件與機殼或地線之間的連接低阻抗、低寄生電感。最后，還需考慮溫度漂移、長期老化、電壓電流應力等因素對靜電保護元件參數的影響，從而確保在最惡劣環境下（如高溫高濕或低溫干燥）仍能穩定發揮保護作用。

3. 靜電防護總體架構

針對1.0V和1.8V電源靜電防護，常見的總體架構包括預處理級、鉗位與濾波級以及二級或多級延遲吸收級等。預處理級通常由陶瓷電容或RC串聯結構組成，主要用于濾除高頻尖峰并配合后級阻尼；鉗位與濾波級一般采用低鉗位電壓的瞬變抑制二極管（TVS Diode）與磁珠（Ferrite Bead）或共模電感組合，既可在高壓浪涌時快速導流，也可在日常工作時兼具濾波功能；對于一些要求更為嚴格的場合，還會在主鉗位級后串聯阻容網絡（如串聯限流電阻與并聯高速電容）構成延遲吸收，以均攤浪涌能量并進一步抑制剩余過壓。整體思路是：首先以最簡單的旁路濾波電容進行預處理，減小高頻能量；其次采用低鉗位電壓、高速響應的TVS器件對低壓軌進行初步鉗位；然后通過磁珠或共模電感抑制剩余高頻；最后在關鍵節點設置串聯限流與并聯吸收器件，以防止少量殘余能量對核心芯片造成破壞。各級保護既要保證快速響應、低鉗位，又需擬合1.0V和1.8V軌的差異，合理選型才能實現最佳保護效果。

4. 關鍵保護元器件選型與作用

本章將分別介紹適用于1.0V和1.8V電源靜電保護方案的幾類關鍵器件，包括瞬變抑制二極管（TVS Diode）、ESD保護二極管、硅鉗位晶體管、磁珠（Ferrite Bead）、共模電感（Common Mode Choke）、脈沖電阻以及高速旁路陶瓷電容等。對于每種器件，將給出典型型號、主要參數、作用原理、選型理由及其在本方案中的功能定位。

4.1 瞬變抑制二極管（TVS Diode）

瞬變抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，簡稱TVS）是保障低壓電源軌免受大電壓尖峰沖擊的核心器件。在1.0V和1.8V供電軌道上，需要選擇極低正向導通電壓和低鉗位電容（C_Clamping）的TVS器件，以最大限度降低對芯片正常工作的影響。常見器件如下：

• 型號：Nexperia PESD1UNI（1.0V適用）

• 作用： PESD1UNI是一顆超低電容（典型1pF以下）、低鉗位電壓（典型1.5V）和超快速響應（<1ns）的微型ESD/TVS雙向二極管，專為低壓供電軌防護設計。

• 選型理由： 1.0V供電軌承受耐壓十分有限，若鉗位電壓超過1.5V便可能擊穿內部核心電路。PESD1UNI的2Ω串聯電阻和低容性特征能有效將尖峰能量泄放至地，同時C_Clamping極小，不會擾亂電源軌的紋波及時序信號。兼容雙向保護，而1.0V電源在實際應用中也可能出現反向耦合導致瞬態沖擊，雙向保護模式可提升可靠性。

• 功能： 在瞬態高壓到來時，PESD1UNI迅速導通，將過壓鉗位在1.5V以內并將能量釋放到地；在平常工況下，其小于1pF的寄生電容對電源品質無明顯影響。

• 型號：Littelfuse SP3011（1.8V適用）

• 作用： SP3011是一顆低鉗位、高能量通量的雙向TVS二極管，峰值脈沖功率可達300W，鉗位電壓典型2.5V（測試條件1A），寄生電容僅約2pF。適合在1.8V電源軌提供強力保護。

• 選型理由： 1.8V電源軌相比1.0V有更大余量，但在系統插拔、靜電放電等場景下，電壓波形可能陡然升高到幾十伏。SP3011的300W沖擊功率與2.5V鉗位特性，可在發生IEC61000-4-2 ±8kV人體模型或儲能放電時，將過壓控制在芯片可承受范圍內，同時2pF的電容不會影響電源紋波或高速數字邏輯切換。封裝為SOD-523，更易貼片并節省PCB空間。

• 功能： 當電源軌遭受靜電或浪涌沖擊時，SP3011在擊穿電壓觸發后迅速鉗位，將過沖電壓鉗制在2.5V以內，保護后級芯片；在正常工作時幾乎不導通，對電源系統無影響。

• 型號：ROHM SML05C（1.8V適用）

• 作用： SML05C是一款超低電容（約0.3pF）、低鉗位（V_BR=5.0V但工作在1.8V環境時足以提供保護）的小尺寸雙向TVS。具有快速響應（<500ps），可抑制尖峰并保護1.8V敏感節點。

• 選型理由： 在超低電容極限方案中，若系統對開關噪聲或信號完整性要求極高，可考慮SML05C。盡管典型擊穿電壓為5.0V，但在1.8V供電軌道，其安全裕量足夠滿足一般ESD沖擊，同時0.3pF電容基本不影響電源軌高頻成分。封裝SOD-523，更適合空間受限的設計。

• 功能： 作為第二道保護，SML05C在1.8V電源軌遭遇異常浪涌時提供補充鉗位，且內置雙向保護，可兼顧插拔瞬態與信號反向沖擊。

綜上所述，1.0V軌首選PESD1UNI，而1.8V軌可選擇SP3011或SML05C，以根據系統電壓裕量與空間、性能需求靈活搭配。

4.2 ESD保護二極管（ESD Diode）

除了TVS二極管，針對板級PCB的接插件、測試接口、外部信號線等經常暴露于環境靜電的節點，還需采用專用ESD保護二極管（ESD Diode）進行分級防護，以防止靜電通過信號線耦合至電源軌。典型型號如下：

• 型號：Nexperia PESD1BLL5V（低容型ESD二極管）

• 作用： PESD1BLL5V是一顆面向高速信號線的ESD保護器件，其對地鉗位電壓<6.5V，寄生電容<0.25pF，響應時間<1ns。可實現受ESD沖擊時對板載信號線的保護，并將浪涌電流導向地或者1.8V/3.3V電源。

• 選型理由： 在數字接口頻率高達幾百MHz甚至數GHz的應用中，任何超過1pF的寄生電容都會嚴重影響信號質量。PESD1BLL5V的極低電容特性使其適合保護I2C、SPI、UART等高速總線線，同時其4kV HBM（人體模型）耐受能力可確保在手工操作或運輸環節不會因靜電對芯片造成損傷。

• 功能： 為從外部信號引入的靜電尖峰提供第一級保護，將其泄放到地線或電源線上防止傳播到核心電源軌。

• 型號：ON Semiconductor ESD9X5V（5V雙向ESD二極管）

• 作用： ESD9X5V具備優異的浪涌處理能力（IEC61000-4-2 ±30kV空氣放電），典型電容2.5pF，可在高壓瞬態下快速擊穿鉗位。主要用于針對未上TVS的信號線提供保護，并根據需求可將浪涌導至1.8V或3.3V電源。

• 選型理由： 當某些高速接口暫時不便直接接地時，可將ESD能量通過ESD9X5V導入較高電壓軌（如1.8V或3.3V），由后續TVS吸收，從而避免對1.0V軌的直接沖擊。其鉗位電壓與響應速度均優于通用二極管，能在毫秒級甚至納秒級完成防護。

• 功能： 在靜電通過信號線入侵時提供保護，將能量導入次級電源軌或地，減輕主TVS的壓力，同時不顯著增加線路寄生。

• 型號：Semtech RClamp0524P（雙向ESD保護陣列）

• 作用： RClamp0524P是一款集成了四路ESD保護的陣列，支持雙向鉗位，單通道電容典型0.9pF，最大工作電壓可至5V，但對1.8V環境同樣適用。

• 選型理由： 在需要保護多個GPIO、鍵盤矩陣、觸摸屏或LED背光控制線時，可利用RClamp0524P的多路集成優勢節省PCB布板空間并簡化結構，降低外掛元件數量，從而提升可靠性。其每路<1pF電容對高速信號的影響極小。

• 功能： 提供多路ESD保護，將外部靜電電荷從各信號線迅速引導至地，提高器件集成度并降低損耗。

基于ESD防護層級原則，應將上述ESD保護二極管部署在連接器、外部信號線上，在靠近信號線入口處放置，防止靜電經過信號傳播至低壓電源軌。

4.3 磁珠（Ferrite Bead）與共模電感（Common Mode Choke）

除二極管鉗位外，在1.0V和1.8V電源線路上，安裝磁珠或共模電感可以抑制剩余高頻諧波及共模干擾，將靜電能量進一步消耗為熱量，提升整體EMI/ESD防護效果。

• 型號：Murata BLM21AG102SN1D（Ferrite Bead，100Ω@100MHz）

• 作用： BLM21AG102SN1D是一顆貼片磁珠，阻抗100Ω@100MHz，最高直流通過電流250mA，適合1.0V/1.8V電源軌的高頻濾波。

• 選型理由： 在TVS剛性鉗位后，會有部分高頻脈沖剩余無法完全通過TVS泄放。BLM21AG102SN1D可將這些高頻能量轉化為熱能，同時本身具有較低直流電阻（約0.1Ω），能兼顧低壓差需求。0805封裝尺寸適中，便于布線且熱容較小，可迅速散熱。

• 功能： 于TVS之后串聯，有效吸收剩余高頻諧波，降低電源軌上的高頻噪聲并減緩下游芯片承受的沖擊波形。

• 型號：TDK ACM2012-900-2P（共模電感）

• 作用： ACM2012-900-2P是一款雙通道共模電感，對共模干擾具有高差模阻抗，可在1.8V/3.3V系統中對多路電源或信號線提供額外抑制。

• 選型理由： 盡管1.0V軌對于共模共振需求較低，但若系統還含有1.8V與3.3V電壓并級，則可選用ACM2012-900-2P將共模噪聲耦合在一起并加以抑制，以避免噪聲相互耦合對核心邏輯產生影響。該器件額定電流達1A，可滿足多數低壓軌使用需求。

• 功能： 將共模噪聲成份吸收并衰減，保護電源及信號線免受高頻差模及共模干擾。

• 型號：TDK BLM15AG221SN1D（Ferrite Bead，220Ω@100MHz）

• 作用： BLM15AG221SN1D阻抗達220Ω@100MHz，適用于強調高頻衰減性能、電源允許較大電流通過時的場合。

• 選型理由： 在1.0V與1.8V系統中，部分電路對高頻長期耦合噪聲尤為敏感。在TVS鉗位之后串聯BLM15AG221SN1D可進一步衰減高于100MHz的尖峰干擾；其額定電流達300mA，封裝為0603，尺寸小巧，可靈活放置在狹窄空間。

• 功能： 作為第二道高頻衰減元件，將經TVS鉗位后的余波繼續衰減，避免峰值電壓在傳播過程中再次累積。

在實際布局中，應將磁珠或共模電感置于靠近TVS之后，盡量縮短兩者之間的連線長度，并采用多層布線將地線或電源層面形成良好平面，以降低寄生電感與雜散電容。

4.4 串聯限流與RC濾波網絡

為了妥善保護后級數字芯片，除了上述對浪涌進行鉗位與濾波措施外，在1.0V和1.8V供電軌上還可在關鍵節點串聯小阻值電阻，配合并聯陶瓷電容形成RC網絡，用于延遲吸收剩余能量并抑制振鈴。具體器件如下：

• 型號：Panasonic ERJ-3GEY0R1V（0402封裝，0.1Ω，1%）

• 作用： 該型號為高精度電阻，阻值0.1Ω，封裝尺寸0402，額定功率1/16W。可作為串聯限流元件，在TVS鉗位之后對流經后級芯片的浪涌電流進行阻尼，降低浪涌電流峰值。

• 選型理由： 在1.0V、1.8V低壓軌中，為了避免因過高浪涌電流直接沖擊到核心負載，0.1Ω的額定阻值很容易兼容0.5A以下的負載電流，同時在短時浪涌出現時可提供足夠阻尼。Panasonic ERJ-3GEY系列的低噪聲和高穩定性保證了在DC工作時對電壓影響極小。

• 功能： 在TVS鉗位后串聯，形成阻尼地位，有效分散瞬態能量并減少過沖電流傳遞至核心器件。

• 型號：Murata GRM155R71C104KA88D（0603封裝，0.1μF，X7R）

• 作用： 該型號為0.1μF X7R溫度特性陶瓷電容，封裝0603，額定電壓16V。用于RC網絡中的并聯電容，吸收浪涌后殘余能量并濾除中高頻噪聲。

• 選型理由： X7R材質保證在-55°C至+125°C溫度范圍內電容值變化小于15%，電壓系數低，不會因1.8V或1.0V的工作環境而顯著漂移。結合0.1Ω電阻后組成RC濾波，可有效衰減10kHz以上頻段的噪聲，同時0.1μF足以在通電瞬間儲存一定電能，對尖峰電壓形成緩沖。

• 功能： 與串聯電阻形成RC延遲吸收電路，對浪涌后的剩余能量進行再平滑處理，減少電源軌上的振鈴及次級浪涌干擾。

• 型號：TDK C1608X5R1C104K080AC（0603封裝，0.1μF，X5R）

• 作用： 該型號陶瓷電容耐壓16V，溫度特性X5R，可作為對關鍵點處的并聯吸能電容，用于快速吸收芯片供電軌上出現的亞微秒級電壓脈沖，并保持穩定電壓。

• 選型理由： 相對于X7R材質，X5R在溫度與電壓下性能相對較差，但成本更低，若所在環境溫度不會超過85°C，可使用X5R節省成本。結合ERJ-0402限流電阻，可在短路或浪涌時迅速吸納部分能量，保護后段器件。

• 功能： 提供第二級或第三級的旁路濾波功效，用于消除RC網絡上的中高頻殘余，保證1.0V/1.8V供電軌的穩定輸出。

通過將0.1Ω電阻與0.1μF陶瓷電容串并聯結合，可在整體方案中補充TVS及磁珠的滯后保護，保障低壓軌在多種干擾場景下的安全性與電源完整性。

4.5 電源輸入濾波與壓降抑制組件

對于來自上級電源或變換器的1.0V/1.8V輸入，同樣需要初級濾波與ESD防護。常見器件如下：

• 型號：Vishay RNMV0402FTD080R（0402封裝，0.08Ω，1%）

• 作用： 一種超低阻值準確電阻，用于輸入端微小限流，減少因ESD或浪涌進入系統時的瞬態沖擊。與并聯大容量電容組合可分割巨大瞬態能量。

• 選型理由： 若使用0.1Ω電阻在浪涌場合阻值略高，可選0.08Ω進一步減小壓降。本身溫度系數低、負載功率大，適合1A以下的輸入環境。

• 功能： 抑制初級浪涌，配合輸入旁路大電容（如10μF）可減輕后續TVS與磁珠的負擔。

• 型號：Murata NFM18PSN1R0C1D0E（Ferrite Bead，1Ω@1MHz）

• 作用： NFM18PSN1R0C1D0E是一款低直流電阻的磁珠，直流電阻僅約0.03Ω，阻抗在1MHz時為10Ω，適用于輸入電源端對亞MHz噪聲進行抑制。

• 選型理由： 在輸入濾波環節，為了保證1.0V/1.8V低壓軌的電壓跌落最小化，可選用阻抗較低、直流電阻極小的磁珠。NFM18PSN1R0C1D0E在1MHz附近具有良好濾波效果，可與輸入大容量電容（如4.7μF/10μF）搭配，減少紋波并預防共振。

• 功能： 對來自上級的中低頻噪聲進行初步衰減，降低進入TVS與后級濾波網絡的干擾壓力。

• 型號：Murata GRM21BR61C106KE15L（0805封裝，10μF，X5R，6.3V）

• 作用： 該陶瓷電容額定電壓6.3V，電容量10μF，X5R溫度特性，適合置于輸入端做大容量儲能與旁路，平滑1.0V/1.8V電源供給。

• 選型理由： 輸入濾波需要足夠的儲能來應對浪涌時刻的瞬時缺口，同時在ESD或浪涌通過限流與磁珠后為后級提供穩定電壓。10μF容量能夠為后級提供較長時間的電能緩沖，且X5R在常溫下穩定性良好，封裝0805相對緊湊。

• 功能： 在整個ESD防護鏈路的最前端，與限流電阻和磁珠共同組成輸入濾波網絡，保證系統供電源的穩定與安全。

5. 1.0V電源靜電保護拓撲設計與布局建議

在風靡移動設備與超低功耗應用中，1.0V供電軌往往直接為FPGA內部核心邏輯、微控制器內核或高速接口提供電源，因此其ESD保護尤為重要。下面給出典型的1.0V電源靜電防護拓撲示意與布局要點：

上級電源 → 輸入限流電阻（Panasonic ERJ-0402    0.1Ω） → 
  → 輸入磁珠（Murata NFM18PSN1R0C1D0E） →
  → TVS鉗位二極管（Nexperia PESD1UNI） → 
  → 磁珠濾波（Murata BLM21AG102SN1D） → 
  → 串聯限流電阻（Panasonic ERJ-0402 0.1Ω） + 并聯電容（Murata GRM155R71C104KA88D） → 
  → 核心芯片1.0V軌

• 布局建議：

1. 輸入限流電阻與磁珠放置在1.0V入口處，最靠近電源接口，減少外部浪涌對后級的沖擊。電阻與磁珠串聯，限流與濾波共同作用。

2. TVS二極管貼片位置需靠近磁珠，引腳到地線的連線長度需盡量最短，以減少寄生電感，讓TVS迅速將浪涌鉗位至安全電壓。底層地線應配置多引腳過孔，形成低阻抗地平面。

3. TVS之后的磁珠（BLM21AG102SN1D）與第二級限流RC網絡（0.1Ω+0.1μF）應緊密相鄰，并與芯片供電引腳用粗線直接連接，保證后級在受到殘余高頻時仍能獲得穩定1.0V電源。

4. 地線布線需采用多層平面式設計，將0V地與信號地分割，靜電能量在TVS處快速導入地平面，通過過孔分布散布到整個地平面。

5. 器件封裝與封裝方向盡量統一，方便在PCB制造過程中使用自動化貼片設備，提高組裝精度并降低焊接缺陷。

• 器件功能歸納：

• 輸入限流電阻（0.1Ω）： 在浪涌來的初始瞬間限制電流，以保護TVS不過載。

• 輸入磁珠： 對中低頻噪聲進行濾波，減輕TVS壓力。

• TVS二極管： 在突發過壓時將電流鉗位并轉向地線，實現一階段鉗位保護。

• 磁珠濾波： 吸收TVS鉗位后可能產生的高頻余波，減少下游RF干擾。

• RC延遲吸收網絡： 將剩余過沖能量進一步吸收并衰減振鈴，為核心器件提供平滑電源。

此拓撲中每級保護器件均承擔特定任務，從信號入口到核心芯片依次實現濾波、鉗位、衰減與吸收，構成多級防護鏈路，以應對各種不同能量等級的靜電或浪涌。

6. 1.8V電源靜電保護拓撲設計與布局建議

1.8V電源軌常作為芯片I/O或模擬電路供電，對靜電抗擾度也有嚴格要求，但相比1.0V軌，其鉗位裕度更大，可在某些地方選用成本稍低但性能仍然優良的器件。推薦拓撲如下：

復制編輯上級電源 → 輸入磁珠（Murata BLM15AG221SN1D） → 
  → 輸入限流電阻（Panasonic ERJ-0402 0.1Ω） → 
  → TVS鉗位二極管（Littelfuse SP3011/SML05C） → 
  → 磁珠濾波（Murata BLM21AG102SN1D） → 
  → 并聯電容（Murata GRM155R71C104KA88D） → 
  → 核心芯片1.8V軌

• 布局建議：

1. 輸入磁珠放置在靠近電源引腳處，用于衰減外部引入的中高頻噪聲。

2. 輸入限流電阻位于磁珠之后，與其結合以限流并限制過沖電流幅度。

3. TVS二極管（SP3011或SML05C）緊鄰限流電阻，快速鉗位過壓，并將能量引向地線。推薦在TVS引腳到地線之間放置多點過孔（至少2～4個）以降低寄生電感。

4. 后級磁珠與大電容并聯形成濾波與儲能結構，保證即使在TVS耗散剩余能量時仍能給后側負載提供瞬時電流。

5. 整體地線多層平面，靠近TVS處配置星形布局，以避免環路電流對其他敏感電路產生干擾。

• 器件功能歸納：

• 輸入磁珠（BLM15AG221SN1D）： 提前衰減外部共模或差模噪聲，提升TVS的有效工作效率。

• 限流電阻（0.1Ω）： 控制浪涌電流峰值，保護TVS與后級器件。

• TVS（SP3011或SML05C）： 鉗位電壓分別為2.5V或5V，滿足不同場景需求；快速響應將過壓削減。

• 后級磁珠與并聯電容： 在TVS動作后，吸收剩余高頻脈沖，并為后段電路提供短時儲能，保持1.8V電平穩定。

通過上述多級保護策略，可以在1.8V軌實現對IEC61000-4-2 ±8kV空氣放電、±15kV接觸放電以及其它常見靜電與浪涌事件的可靠防護。在布局時需特別注意TVS與地平面的連線短小、過孔布局合理，并將磁珠與電容緊貼于TVS之后，以便于吸收高頻剩余成分。

7. PCB布局與布線實踐要點

1. 最短路徑與最小環路面積：對于TVS到地線的連接，應保證最短路徑和最小環路面積，以減小寄生電感。可采用多個過孔從頂層TVS腳（GND）直接連通至內部或底層地平面。

2. 多層板地平面與電源平面：建議至少將1～2層用于大面積地平面，并與供電平面充分覆蓋，降低地電位差。若條件允許，可在TVS周圍放置地銅箔并焊錫加厚，以便于大電流通過時的散熱。

3. 器件靠近與方向統一：ESD保護器件（TVS、ESD二極管）應盡量靠近電源或信號入口放置，方向應統一，盡量減少焊點間的串混。磁珠與電容應緊貼于TVS之后，以防止高頻殘余透過長連線傳播。

4. 鏈路分段與屏蔽：在需要防護的信號線與高頻軌道附近安裝屏蔽層，并結合隔離地槽分隔不同電位區。對于高頻信號線，采用差分對或地線環繞，以減小共模耦合。

5. 地線包圍原則：在關鍵信號及電源路徑周圍利用環繞式地線包圍，形成獨立地平面分區，避免噪聲串入敏感電路。TVS下方可采用錫蓋加強散熱及地平面連接。

6. 溫度與熱沉考慮：由于TVS在長期或高頻動蕩情況下會發熱，需在其附近留有散熱銅箔并考慮焊盤加厚，通過底層散熱層將熱量傳導至外殼或散熱片。

7. 過孔數量與分布：在TVS的GND引腳與地平面之間至少布置多顆過孔（數目≥4），減小感抗，實現更快速的能量散布；同樣，對核心芯片的地引腳也需類似處理。

8. 信號完整性校驗：在完成靜電防護布局后，需對關鍵信號及電源軌進行仿真（如PI分析、時域反射測試、EMC仿真），確保濾波與保護不會對正常工作帶來阻礙。

8. 各類靜電保護元器件功能與對比

下表總結了幾類關鍵靜電保護元件在1.0V與1.8V軌道上的典型特性與功能差異：

9. 器件選型綜合對比與使用場景

• 1.0V供電系統：因安全裕度極小，TVS鉗位電壓不能超過1.2V～1.3V，因此首選Nexperia PESD1UNI；其次，因系統對高頻噪聲容忍度極低，需要在TVS之后串聯BLM21AG102SN1D，將殘余高頻鈍化；為防止瞬態過沖傳遞至核心器件，需在后級加RC延遲吸收網絡（0.1Ω+0.1μF X7R）。此外，對于與外部連接的I/O信號線，可使用PESD1BLL5V做前級ESD保護，將靜電在第一時間導入地。

• 1.8V供電系統：可選TVS型號更豐富，如Littelfuse SP3011、ROHM SML05C等；如果系統對外部信號線多，可選用Semtech RClamp0524P實現多路一體化保護；前級磁珠可選用BLM15AG221SN1D，提供更高高頻阻抗；后級串聯限流電阻與并聯0.1μF電容同樣適用。對于對成本更敏感且空間局促的方案，可優先選用SML05C，它在0.3pF超低電容的同時具備足夠鉗位功能，滿足高頻信號完整性要求。

根據系統實際浪涌能級、PCB空間及成本考量，可靈活組合上述器件，亦可將某些器件集成于單一封裝，以減少外部焊盤數量。但切記無論如何不得以犧牲靜電保護性能為代價，否則失衡的保護鏈路將使核心芯片面臨難以承受的瞬態風險。

10. 分級靜電保護策略與測試驗證

在實際項目中，僅依賴單級防護往往無法兼顧成本與可靠性。因此，推薦分級靜電保護策略：

1. 第一階段——外部接口ESD防護：在所有可能接觸外部環境的信號與電源接口處，安裝專用ESD保護二極管（如PESD1BLL5V、ESD9X5V、RClamp0524P等），實現對空氣放電和接觸放電的初步截獲。

2. 第二階段——電源軌TVS鉗位：在1.0V/1.8V主供電軌上布局低鉗位、高速TVS（PESD1UNI、SP3011、SML05C等），承擔大部分能量吸收與導入地線。

3. 第三階段——磁珠濾波與RC吸收：TVS之后串聯磁珠或共模電感（BLM21AG102SN1D、BLM15AG221SN1D、ACM2012-900-2P等），抑制高頻諧波；最后串聯限流電阻與并聯陶瓷電容（0.1Ω+0.1μF），對殘余能量進行吸收與延遲衰減。

4. 第四階段——PCB布局與地線優化：采用多層地平面，保證各級保護器件間的低寄生電感與低電阻路徑；在關鍵位置使用多個過孔加強地平面連接。

測試驗證部分，應按照IEC61000-4-2/4-4/4-5等標準進行系統級測試，包括：

• 空氣放電（Air Discharge）測試：對外殼或連接器進行±8kV～±15kV空氣放電，驗證各保護級是否能正常鉗位并且芯片仍能正常通訊或上電。

• 接觸放電（Contact Discharge）測試：直接對信號線或電源引腳進行±8kV接觸放電，檢查TVS與ESD二極管是否能在指定時限內復位，是否存在鉗位不足或過壓破壞。

• 脈沖群（Burst）與浪涌（Surge）測試：針對±2kV快速脈沖群及±1kV浪涌或15kV組合浪涌進行測試，確認分級保護鏈是否能分段吸收能量并保證下游器件不損傷。

• 電源紋波與穩壓測試：在非ESD干擾環境下，對1.0V/1.8V電源輸出進行紋波抑制測試，確保保護器件寄生電容與寄生電感不會對電源穩定性造成較大影響。

通過綜合測試驗證，若確認分級靜電保護設計滿足系統需求，可進一步進行量產試產、環境加速老化測試，以保證產品在全生命周期內具備穩定可靠的防護能力。

11. 可靠性與壽命分析

靜電保護器件在經歷多次ESD沖擊后，參數會出現退化。例如，TVS二極管在多次大能量放電后其鉗位電壓可能會上升、電容可能會有輕微變化；磁珠在高頻長時間工作后線圈磁性材料溫度升高會引發失配；陶瓷電容在高溫高壓環境下易發生電容值衰減。因此，在設計方案中，還需關注以下幾點：

1. 器件額定壽命與沖擊次數：盡量選用額定放電次數≥1000次且沖擊能量≥100W的TVS器件，以提升產品壽命。

2. 溫度系數與電壓系數：對于耦合電容與磁珠等器件，應選用溫度系數和電壓系數穩定性較好的型號（如X7R、X5R材質的陶瓷電容），以避免在高溫或高壓時參數漂移過大。

3. 焊接應力與環境老化：在高溫回流焊后，TVS封裝與PCB之間可能存在焊盤開裂或熱應力疲勞風險，建議在焊接工藝中使用低溫回流工藝（如峰值溫度≤260°C、時間≤10s）并進行焊后外觀檢測。

4. 濕度與結露影響：在高濕度環境中，保護器件表面如果出現水膜，會加大漏電流并影響正常工作。可在選定器件時參考濕度敏感度等級（MSL），并在必要時加裝符合IP等級的外殼或涂覆防潮涂層。

5. 長期老化試驗與加速壽命測試：通過85°C/85%RH長時間存放測試、溫度循環測試、加速壽命測試（HALT或HASS）等試驗，驗證保護器件在多種極端環境下能夠保持工作參數。

結合上述分析，在設計之初就需與器件供應商溝通性能退化規律，并在設計中預留一定裕量。例如選擇額定沖擊功率高出實際需求50%的TVS、選擇電容器菱秈耐壓為電源電壓3倍以上的型號、在磁珠領域選擇高Curie溫度材料等，以保證系統在出廠后3～5年內性能穩定。

12. 實際應用示例與效果評估

以下以某款便攜式通信設備為例，說明1.0V和1.8V電源靜電保護方案在實際應用中的成效與改進建議：

• 產品概況：該設備采用雙核ARM處理器，1.0V軌供給處理器核心，1.8V軌供給I/O接口以及ADC前端模擬電路，設備外殼金屬材質，通過觸摸與USB接口與外部連接。

• 靜電問題：早期版本在工廠老化測試中，曾出現三次因±8kV接觸放電導致處理器重啟或I/O失效現象，影響產能與質量。

• 改進后的保護方案：

• 1.0V軌：在PCB入口處加入0.1Ω ERJ-0402 限流電阻，后接Nexperia PESD1UNI，緊隨Murata BLM21AG102SN1D磁珠，以及0.1Ω與0.1μF RC網絡，直接連到處理器。

• 1.8V軌：采用Murata BLM15AG221SN1D作為前級磁珠，0.08Ω RNMV0402 限流電阻，后接Littelfuse SP3011 TVS，隨后Murata BLM21AG102SN1D磁珠和0.1μF并聯電容，供給I/O和ADC模塊。

• 外部USB與觸摸屏信號線：使用PESD1BLL5V和RClamp0524P實現分級ESD防護，將靜電層層攔截。

• 效果評估：

1. 靜電放電測試：經改進后，設備通過IEC61000-4-2 ±8kV空氣放電、±15kV接觸放電測試，處理器與I/O接口均無異常重啟或失效。

2. 信號完整性測試：諧波抖動分析顯示，TVS器件引入的寄生電容基本無影響，處理器時鐘抖動量級與測試樣本一致。

3. 環境溫度測試：在85°C/85%RH下持續工作72小時，保護器件無失效或參數漂移明顯。

4. 長期壽命評估：結合加速壽命測試（HALT）模擬等效5年使用壽命，保護方案性能仍符合設計要求。

此范例表明，通過合理選型并分級布局，可顯著提升系統抗靜電能力，保障低壓核心與I/O的穩定可靠。

13. 結論與建議

本文針對1.0V與1.8V低壓電源靜電保護方案，從設計原則、關鍵器件選型、拓撲結構、PCB布局、分級防護策略、可靠性分析以及實際應用示例等方面展開了詳細論述。總結如下要點：

1. 分級保護設計：在出口接口、TVS鉗位與后級濾波多個層面進行分級保護，既可以有效抑制不同能量等級的靜電與浪涌，也能降低對關鍵核心電路的沖擊。

2. 超低鉗位與超低電容TVS：1.0V軌首選PESD1UNI等超低鉗位（~1.5V）、超低電容（<1pF）的TVS器件；1.8V軌可選SP3011或SML05C等低鉗位（2.5V～5V）、低電容（0.3pF～2pF）型號，以兼顧保護與信號完整性。

3. 磁珠與共模電感的協同應用：TVS之后串聯不同阻抗檔次的磁珠（例如BLM21AG102SN1D與BLM15AG221SN1D組合）或共模電感，提供多頻段衰減；同時在輸入端使用磁珠降低浪涌振幅。

4. RC延遲吸收電路：通過0.1Ω精密限流電阻和0.1μF X7R/ X5R陶瓷電容組成的RC網絡，對TVS后剩余能量進行緩沖與吸收，減緩振鈴并保持電源穩定。

5. PCB布局與地線優化：保證關鍵保護器件與地線的最短、低寄生路徑連接，采用多層地平面，布設充足過孔以及神形相似的地線隔離區，降低回流路徑對其他敏感電路的影響。

6. 可靠性與壽命考慮：需充分評估器件在高溫、潮濕、浪涌沖擊后的參數變化，選擇符合MSL與高沖擊次數的型號，并在生產過程中采用合適的焊接工藝與加速老化測試以保證長期穩定。

在實際項目中，若系統空間與成本允許，建議在TVS與磁珠/限流RC后再并聯一顆小電容（如1nF～10nF）于核心芯片電源腳，以進一步提升對亞微秒極短脈沖的抑制。另外，若系統存在多種電壓軌（如3.3V、5V等），可在主電源輸入端增加整體的EMI濾波器與浪涌抑制模塊，對整個電源網絡進行一站式保護，以保證不同電壓軌互相之間不會產生耦合干擾。

綜上所述，合理的1.0V與1.8V電源靜電保護方案應在保證快速鉗位的同時兼顧電源完整性、成本與PCB空間，通過分級多級防護策略與嚴謹的器件選型可有效抵抗各種靜電與浪涌事件，保證電子設備在復雜環境下的穩定運行和長期可靠性。工程師可根據本文介紹的選型思路、典型器件與布局建議，結合自身系統需求靈活調整，并通過必要的測試驗證確保方案的可行性和充足余量。