干货｜你真的理解ESD吗？老司机从零传授教化系列之学会ESD选型

常日，电路中常日采取TVS(Transient Voltage Suppressor)二极管，又称为瞬态抑制二极管，是普遍利用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的相应韶光（亚纳秒级）和相称高的浪涌接管能力。
当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速率把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以接管一个瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

什么是ESD？

众所周知，物体会在与其他物体的打仗与摩擦中产生并积累电荷。
举个例子，人类的皮肤常常会在与物体的打仗和摩擦中失落去电子，从而积累正电荷。
当这个积累了很多正电荷的物体与一个导体间隔非常近或打仗的时候，电子将会快速从导体转移到积累正电荷的物体上，这个电子快速转移的过程便是静电开释，英文简称ESD。
当你在干燥的景象脱了大衣又去抓金属门把手的时候，我相信你就知道ESD是什么了。

一样平常而言，ESD可能会高达上千伏特，这会比拟较敏感的半导体和集成电路造成危害。
ESD在集成电路系统中对袒露在外的接口有非常主要的浸染，当带有电荷的物体比如人类靠近或者打仗这些接口的时候，ESD电流会开释在PCB上，这很随意马虎对电路造成危害。

为了防止系统损伤，我们可以在靠近接口的位置放置一个ESD保护二极管。
当ESD静电打上接口时，ESD保护二极管会将电流引向地，从而起到保护系统的浸染。

如图所示，在接口旗子暗记向系统传输的过程中，ESD保护二极管该当处于隐形状态，并且没有电流流过。
然而，当一个ESD攻击事宜发生时，二极管两端的电压超过一个称为击穿电压的特定阈值，二极管开始导通，并将电流分流到地。

让我们仔细不雅观察一下这个电流电压曲线，我们定义当二极管流过的电流为1毫安时，二极管达到击穿电压，当输入的电压小于二极管的击穿电压时，空想情形下二极管流过的电流应该为零。
然而在现实天下中，一定量的电流透露是一定存在的，如图中所示。
在TI的设计措辞中，我们将Vrwm称为事情电压，定义为电流10纳安的点、这个事情电压值可以理解为建议的最大电压旗子暗记浮值，以是在一样平常设计中，我们会建议系统的旗子暗记不要超过Vrwm。
例如，如果你的旗子暗记范围是0至3.6伏，您该当选择一个Vrwm在3.6伏以上的二极管。
如果你选择的二极监工作电压小于3.6伏，就随意马虎发生电流透露的情形。

ESD二极管常日有两种极性： 双向和单向双向二极管常日有正负对称的I-V曲线，事情电压和击穿电压。
正由于如此，双向二极管可以支持在它正负事情电压范围内的正负旗子暗记。
另一方面单相ESD二极管一旦涌现负压，则会被击穿。
以是对付单向ESD二极管而言，它仅能支持正向的0至事情电压区间的旗子暗记。
不过单向ESD二极管反向钳位的电压更小，可以供应更好的负压保护。

总结而言，双向和单向ESD二极管都可以供应正负ESD电压保护。
但是双向ESD二极管由于具有对称的正负击穿电压，可以通过正负旗子暗记。
而单向ESD二极管只可以通过正向旗子暗记，适用的接口比如USB HDMI以及一些其他的数字接口，不过比较双向而言单向ESD二极管对付负压的保护更好。

IEC 61000-4-2标准

险些所有的仿照和数字芯片都会在data sheet里标注这颗料的ESD数据，设计职员常常会参考这些数据并误以为这些芯片可以在日常利用中免受ESD的破坏。
但是如果您理解衡量ESD的标准后，您就会知道，普通芯片的ESD等级并不一定能完备保护电路。

我们来看一看您可以会在data sheet中看到的ESD模型，第一个是人体模型，简称HBM，它仿照了在工厂环境中携带静电的人体触摸接地设备的过程。
HBM的波形如绿线所示，值得一提的是HBM标准是为了衡量芯片能否在生产、组装和运输的过程中免受ESD的危害，并非适用于日常利用的场景。

第二个先容的是带电装置模型，简称CDM，它仿照了一个带静电的器件打仗电路的情景，CDM的仿照波形如蓝线所示，CDM会在小于20ns的韶光内有一个非常高的电流脉冲。
和HBM相似CDM也是为了衡量芯片生产，制造过程中可能会碰着的ESD而设计的，并非适用于日常利用场景。

我们先容的下一个标准IEC 61000-4-2模型和HBM以及CDM不同，这是一个为日常利用设计的标准，它可以帮助我们衡量芯片确保是否能在日常可能打仗到的ESD中免受破坏。
如赤色波形所示它用了更高的电流脉冲并且持续的韶光也更长。

IEC 61000-4-2标准有四个不同的等级，第一流级为四级，运用8kV的打仗放电和15kV的空气放电，这意味着您的接口芯片有能力免受8kV打仗放电和15kV空气放电的破坏。

如果您的芯片没有达到这个等级，在电路里增加我们的ESD保护芯片，可以帮助你们达到这个级别，乃至更高等别的保护。

ESD二极管钳位电压

常日大家对IEC标准存在一个误解，这里我们以IEC四级举例，当我们在data sheet中提到这颗ESD二极管可以达到8000V打仗放电和15kV空气放电时，我们针对的是这颗ESD二极管本身可以承受8000V和15kV的ESD冲击，并不代表系统电路同样可以承受。
ESD二极管的钳位电压可以帮助我们量化在承受ESD冲击的时候，系统将会受到的冲击。

如图所示，我们的ESD保护二极管放置在一个与受保护电路平行的位置，钳位电压的含义是指在系统遭受对应级别的ESD冲击时，系统SE须要承受的冲击电压值。
这张图显示了一个8kV IEC冲击在系统中造成的冲击电压随韶光的变革。
赤色的波形代表没有ESD二极管的信息，如果加上了ESD保护二极管，当一个ESD冲击进入系统，ESD二极管将急速被击穿，并供应一个低阻抗的路径将电流导向地面。
无论如何，在ESD保护二极管的两端，由于阻抗的存在依然会有一定程度的压降，这个压降将会平行映射到系统电路中。

蓝色的波形就显示了钳位波形，对付理解钳位电压，最好的办法是不雅观测ESD二极管的传输线性脉冲曲线或者简称为TLP曲线。

TLP曲线供应了二极管电压与电流的关系，可以通过给定的输入电流推算出钳位电压。
举个例子当1A的电流被开释到ESD二极管，它的钳位电压大约为8.4V，当放电电流为2.7A钳位电压为9V，当放电电流为5.8A时钳位电压为10V，以此类推。
现在我们可以大致估算出冲击时，系统会承受的钳位电压。
对付8000V的IEC ESD冲击而言，我们只须要看TLP曲线中16A的那一点，对付这一个二极管而言，钳位电压大约是13.4V。

TLP曲线的斜率对付理解二极管保护的好坏很主要，举个例子，绿色的曲线代表另一颗ESD保护二极管，更高的斜率代表它在对应电流时有更低的钳位电压，根据欧姆定律这条曲线的斜率为动态电阻1/Rdul。
以是，当你关注钳位电压时选择动态电阻更小的ESD保护二极管，就代表它拥有更小的钳位电压。

ESD的电容及电容对付系统的意义

回顾一下ESD保护二极管的最紧张的浸染，是在ESD冲击发生时将电流引至地来起到保护系统的浸染。
然而，这颗ESD二极管在系统正常事情时，该当是处于完备隐形的位置。
在现实天下中，情形并非如此，由于二极管会具有滋扰旗子暗记完全性的寄生电容。

我们来复习一下事理知识，一个二极管是由一个PN节组成，个中包含一个正掺杂的P区和一个负掺杂的N区，在PN节的中央还有一个高电阻率的耗尽层，由于P和N掺杂区具有相对较低的电阻，如电容器的极板，并且耗尽区具有如电容器的电介质那样的高电阻。
以是二极管具有电容特性，并且可视为一个电容，如果二极管的寄生电容过高，则可能增加旗子暗记通过的上升和低落韶光，这会对旗子暗记完全性造成侵害。

举个例子，对付一些高速的接口比如USB 3.0或者HDMI 2.0眼图测试是一项必须的测试，用来确保接口符合标准。
但是，增加的电容值会增加旗子暗记的上升与低落韶光，从而导致眼睛闭合使得旗子暗记失落真，无法知足旗子暗记标准的哀求。

那么选择ESD二极管时该当选择哪种电容？由于每种设计都有自己的电容预算，因此不存在适宜每种接口的最大ESD电容哀求。
但是这张表给出的几种常用接口的一样平常电容和ESD选型的建议。

如何选择ESD二极管

ESD保护的第一步是量化接口电压范围，以确定ESD二极管的事情电压；第二步是选择极性单向还是双向二极管；第三步是确定二极管在不滋扰二极管旗子暗记接管完全度的情形下可以达到的最大电容；第四步是决定受保护系统的IC的钳位电压；末了一步是确定ESD为IEC 61000-4-2 4级 8千伏打仗放电和15千伏空气放电。

让我们以USB 2.0为例先容一个大略的例子，您已经选择了USB 2.0开关和电池充电器，但都须要ESD保护，由于它们直接放置在随意马虎受到ESD冲击的USB插座阁下。
第一步是确认接口的电压范围，对USB2.0而言 Vbus 可能达到5伏，以是我们可以确定的是，须要选取的ESD保护二极管的事情电压须要达到5伏或略微高于5伏。
正常事情中D+和D-卖力传输叉分旗子暗记幅值范围在0到3.6伏之间。
以是我会选择事情电压在3.6伏，或者更高的ESD保护二极管。

接下来我们须要确定ESD二极管的极性配置，在我们希望的运用中，由于Vbus和D+、D-都是大于即是零的正向旗子暗记，以是单向和双向的二极管都是有的。
选择单向二极管有助于供应更好的供应负压保护，而选择双向二极管，可以供应更灵巧的设计空间，由于pin脚可以自定义接地、后接I/O口。
同理适用于D+与D-。

接下来，我们须要确定ESD二极管该当具有的电容，由于Vbus线路是直流电旗子暗记，电容对旗子暗记无影响，但对付D+和D-而言，在高速USB中旗子暗记速率可以达到480兆，以是我们须要考虑对电容的影响。
虽然最大的ESD电容还取决于全体系统的电容总预算，但一样平常而言我们推举该接口的电容小于2.5pF，如果系统中其他器件具有更高的电容值，那么此处可能须要选择更小电容的二极管。

接下来，我们看看保护系统所需的钳位电压。
在这种情形下我们须要考虑USB switch和Battery Charger能承受的最大电压冲击，我们假设battery charger在TLP脉冲20伏时会发生故障，USB switch在TLP16脉冲16伏时会发生故障，这意味着为了保护battery charger顺利通过8000伏的IEC ESD冲击，ESD二极管必须在16安 TLP有小于20伏的钳位电压。
同理，为了保护USB switch ESD二极管必须在 16安TLP时有小于16伏的钳位电压。
请记住，设备的TLP的故障电压与设备的绝对最大额定电压不相同，绝对最大电压是一个直流电压，而TLP是一个100ns的瞬态。

我想指出，很快找到系统所需的钳位电压并非那么随意马虎。
以是各家元件厂商包括TI已经创建了几种选择工具和指南，来推举基于接口的办理方案。

我们即将完成我们的选型任务下面我们要做的确保我们选择的芯片，最小能知足IEC61000—4—2四级的标准，也便是至少千伏的打仗放电和15千伏的空气放电。

以上便是关于ESD的根本知识及选型，如果要学习更多关于ESD或其他接口干系知识，请点击阅读原文，访问EEWorld大学堂进行理解。

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