ESD保护基础知识

一、什么是ESD

  静电放电即ESD（Electro-Static discharge），是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。

  以人手为例，在干燥或者摩擦时人手容易丢失电子，从而使人手带有正电荷。当携带正电荷的人手接触外部导体时，导体的电子会向人手转移，从而产生电流，在这个过程中产生的电压可达上千伏特。若是携带正电荷的人手接触电路元件，或者接触电子设备的裸露接口，如USB接口、HDMI接口等，会在接触瞬间产生极大的电压和电流，从而损害电路元件。

二、ESD保护二极管

  ESD二极管原理：将ESD静电保护二极管并联于电路中，当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态），不影响线路正常工作，当电路出现异常过压并达到其击穿电压时，它迅速由高阻态变为低阻态，给瞬间电流提供低阻抗导通路径，同时把异常高压箝制在一个安全水平之内，从而保护被保护IC或线路；当异常过压消失，其恢复至高阻态，电路正常工作。
  ESD静电二极管、ESD静电保护器、ESD保护二极管等保护器件最关键的参考系数有以下三点：
1.快速响应时间
2.低箝位电压
3.高电流浪涌承受能力

三、ESD二极管

击穿电压

  当ESD发生时，二极管反向电压超过击穿电压，二极管反向导通，将电流分流到地，保护电路；理想情况下，二极管反向电压小于击穿电压时反向电流应当为零；

工作电压（反向峰值电压）

  工作电压定义为电流10纳安的点，这个工作电压值可以理解为建议的最大电压信号浮值，在一般设计中，建议系统的信号不要超过Vrwm，例如，如果你的信号范围是0至3.6伏 您应该选择一个Vrwm在3.6伏以上的二极管，如果你选择的二极管工作电压小于3.6伏 就容易发生电流泄露的情况 。

ESD二极管极性

  双向二极管通常有正负对称的I-V曲线，工作电压和击穿电压，正因为如此，双向二极管可以支持在它正负工作电压范围内的正负信号；另一方面单向ESD二极管一旦出现负压 则会被击穿所以对于单向ESD二极管而言，它仅能支持正向的0至工作电压区间的信号，不过单向ESD二极管反向钳位的电压更小，可以提供更好的负压保护。总结而言，双向和单向ESD二极管都可以提供正负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，可以通过正负信号，而单向ESD二极管只可以通过正向信号，适用的接口比如USB HDMI以及一些其他的数字接口，不过相比双向而言单向ESD二极管对于负压的保护更好。

嵌位电压Vclamp

  钳位电压的含义是指在系统遭受对应级别的ESD冲击时,系统需要承受的冲击电压值。下图显示了一个8kV冲击，在系统中造成的冲击电压随时间的变化，红色的波形代表没有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二极管将立刻被击穿，并提供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。

  对于了解钳位电压，最好的办法是观测ESD二极管的传输线性脉冲曲线，或者简称为TLP曲线。TLP曲线提供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。对于8KV的IEC ESD冲击而言，我们只需要看TLP曲线中16A的那一点，对于这一个二极管而言，钳位电压大约是13.4V。

  TLP曲线的斜率对于理解二极管保护的好坏很重要。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 ，所以，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，提供更好的保护。

寄生电容Cl

  二极管会具有干扰信号完整性的寄生电容，如果二极管的寄生电容过高，则可能增加信号通过的上升和下降时间 这会对信号完整性造成伤害。在选择ESD二极管时，需根据实际情况考虑寄生电容。

四、ESD静电标准

  一些芯片在制造时考虑了ESD的保护，在数据手册中应当有所提及。一般ESD有三种类型：
第一个是人体模型，简称HBM，它模拟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的损害，并非适用于日常使用的场景；

第二个是带电装置模型，简称CDM，它模拟了一个带静电的器件接触电路的情景，CDM的模拟波形如蓝线所示，CDM会在小于20ns的时间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、制造过程中可能会遇到的ESD而设计的，并非适用于日常使用场景。

第三个是IEC 61000-4-2模型，这是一个为日常使用设计的标准，它可以帮助我们衡量芯片确保是否能在日常可能接触到的ESD中，免受损坏，如红色波形所示，它用了更高的电流脉冲 并且持续的时间也更长。


当我们在data sheet中提到这颗ESD二极管,可以达到8000V接触放电和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

五、ESD选型步骤

以USB2.0接口为例：

  已经选择了USB 2.0开关和电池充电器，但都需要ESD保护，因为它们直接放置在容易受到ESD冲击的USB插座旁边。
  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，所以需要选取的ESD保护二极管的工作电压需要达到5伏或略微高于5伏；正常工作中 D+和D-负责传输差分信号，幅值范围在0到3.6伏之间，所以我会选择工作电压在3.6伏或者更高的ESD保护二极管。
  第二步我们需要确定ESD二极管的极性配置：在我们希望的应用中，因为Vbus和D+ D-都是大于等于零的正向信号，所以单向和双向的二极管都是可以得。选择单向二极管有助于提供更好的提供负压保护，而选择双向二极管，可以提供更灵活的设计空间 因为pin脚可以自定义接地，后接I/O口，同理适用于D+与D-。
  第三步确定ESD二极管应该具有的电容：因为Vbus线路是直流电信号，电容对信号无影响，但对于D+和D-而言，在高速USB中信号速率可以达到480兆，所以我们需要考虑电容的影响。虽然最大的ESD电容还取决于整个系统的电容总预算，但一般而言，我们推荐该接口的电容小于2.5pF。如果系统中其他器件具有更高的电容值，那么此处可能需要选择更小电容的二极管。
  第四步看保护系统所需的钳位电压：在这种情况下我们需要考虑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。
  第五步确保选择的芯片最小能满足IEC61000—4—2四级的标准 也就是至少8千伏的接触放电和15千伏的空气放电.

附：图片及内容源自TI培训之ESD静电保护视频。