ESD保护

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前言

本文翻译自TI公司文档，仅代表个人的记录和理解，不具有权威性，请谨慎参考。

一、什么是ESD？

ESD 是靠近的两个带电物体之间的突然电流流动。接触的物体有时会导致电流从一个物体直接放电到另一个物体。其他时候，物体之间的电压可能非常大，以至于它们之间的电介质（通常是空气）会发生故障——电流甚至不需要接触来流动。

这些电击一直在发生，但由于电击电压太低而无法察觉，因此人类无法感受到其中的大部分。大多数人实际上直到放电超过 2,000-3,000V 才开始感到电击！虽然 1-10kV 范围内的 ESD 通常对人体无害，但它可能导致半导体和集成电路 (IC) 发生灾难性的电气过应力故障。

在 ESD 源（通常是与外界的接口连接器）和组件之间并联放置的 ESD 抑制器或二极管可以保护系统电路免受电气过应力故障的影响。

如果没有 ESD 保护，来自 ESD 冲​​击的所有电流都将直接流入系统电路并损坏组件。但如果存在 ESD 保护二极管，高压 ESD 雷击将导致二极管击穿并提供低阻抗路径以将电流重定向到地，从而保护下游电路。

许多电路元件包括器件级 ESD 保护，这导致一些人质疑是否需要外部 ESD 保护元件。然而，器件级 ESD 保护远不够强大，无法承受释放到实际终端设备上的 ESD 冲​​击。随着工艺创新导致芯片组尺寸减小，它们对 ESD 损坏的敏感性实际上增加了，这使得分立 ESD 保护成为每个电路设计人员的必需品。

二、IEC 61000-4-2

EC 61000-4-2 标准包括两种不同的 ESD 额定值，您通常可以在数据表上找到这些额定值：接触电压放电（ESD 直接放电到器件上）和气隙电压放电（ESD 通过间隙放电到器件上）空气）。IEC 61000-4-2 标准规定了四个等级的电压等级，其中等级 4 是最高的。

对于大多数应用，4 级 IEC ESD 保护（8kV 接触/15kV 气隙）就足够了。然而，预计 ESD 冲​​击具有更强电压或可能更频繁发生的应用或环境需要更高的接触电压和气隙电压额定值（表 2）。例如，TI 的TPD1E1B04具有 30kV/30kV 的 IEC 61000-4-2 额定值。

三、钳位电压

如果设备仅针对 HBM 和 CDM ESD 进行评级，则它很可能没有足够的鲁棒性来承受现实场景中的持续正常运行。因此，在选择 ESD 保护二极管来保护这些器件时，选择具有足够 IEC 61000-4-2 额定值的二极管以确保二极管本身能够承受反复暴露于 ESD 的影响，这一点至关重要。
虽然 IEC 61000-4-2 等级很重要，但它并不是您在选择 ESD 二极管时需要考虑的唯一因素。IEC 61000-4-2 等级仅告诉您 ESD 二极管本身可以承受多少电压。该额定值没有表明下游电路是否会受到保护。要理解这一点，您需要查看二极管的钳位电压。

与电路并联的保护二极管可保护该电路免受 ESD 影响。当发生 ESD 冲​​击时，二极管将迅速击穿并将“所有”ESD 电流引导至接地，从而保护下游电路。我将“全部”放在括号中，因为所有 ESD 电流流过 ESD 二极管的唯一方法是二极管的阻抗为零。在现实世界中，所有 ESD 二极管都有一些小电阻，称为动态电阻 (R DYN )。R DYN将导致导通二极管两端的电压降；由于受保护集成电路 (IC) 是并联的，您将看到受保护 IC 上的电压降相同。该电压降称为钳位电压。

ESD 二极管的钳位电压最终将决定下游 IC 是否会受到 ESD 冲​​击的保护。尽管它是最重要的规格之一，但它也可能是数据表上最难找到的规格。确定二极管在受到 IEC ESD 冲​​击时的真实钳位电压的最简单方法是查看传输线脉冲 (TLP) 响应曲线。图 2 是ESD122 TLP 响应曲线的示例，它显示了器件的电流和电压之间的关系。如您所见，当流过器件的电流增加时，器件两端的电压几乎以线性速率增加。

TLP 很有用，因为它具有与 IEC 61000-4-2 ESD 雷击相似的特性。因此，您可以将 TLP 电流与 IEC ESD 关联起来：

2kV IEC 雷击 = 4A TLP。
4kV IEC 雷击 = 8A TLP。
6kV IEC 雷击 = 12A TLP。
8kV IEC 雷击 = 16A TLP。
有了这些信息，您可以从图 2 中的 TLP 响应曲线推断出 ESD122 在 8kV IEC 61000-4-2 ESD 冲​​击期间的钳位电压约为 13.5V。换句话说，当 8kV IEC 雷击发生时，您可以预期下游电路将暴露于 13.5V 大约 100ns。

一般来说，钳位电压越低，保护性能越好，所以选择ESD二极管时要注意TLP曲线。

四、ESD电容

尽管 ESD 二极管的主要目标是在 ESD 事件期间保护系统，但它在正常运行期间还有另一个同样重要的目标：绝对不做任何事情。虽然“什么都不做”看起来很容易，但 ESD 二极管的存在会增加系统的寄生电容。在 ESD 事件期间，二极管将击穿并将破坏性电流引导至接地。当二极管导通时，可以将其建模为与动态电阻(R DYN ) 串联的偏移电压 V BR (击穿电压)。在正常工作期间，二极管反向偏置，而数据（或电源）通过走线传输。结果，二极管的耗尽区存储电荷，有效地成为电容值为 C 的电容器L。

如果没有正确考虑 C L，二极管将降低通过数据的信号完整性。对于 USB 3.0、USB 3.1 和高清多媒体接口 (HDMI) 2.0 等高速信号，需要通过眼图模板测试才能符合接口标准。然而，增加的走线电容会增加信号上升和下降时间并“关闭”眼图。这可能会使整个系统不合规。

设计人员通常有一个电容预算，以确保整个系统保持在合规范围内——没有适用于每个设计的总括最大 ESD 电容要求。例如，如果系统 A 的走线比系统 B 的走线短，系统 A 将有更多剩余电容分配给 ESD 保护。因此，系统 A 的 ESD 二极管可以具有更高的电容，并且仍然符合标准。虽然确切的最大 ESD 电容值会因系统而异，但表下表列出了几种流行的高速接口的一般电容和器件建议。

五、反向工作电压、击穿电压和极性配置

一旦电压超过某个阈值，ESD 二极管就会击穿并提供一条低阻抗路径，将电流重定向到地。但是，在正常操作期间，ESD 二极管应完全“关闭”，并且不会干扰通过走线的信号或电源。该正常工作电压范围称为反向隔离电压或反向工作电压 (V RWM )。V RWM定义为流过二极管的电流不超过一定安培数时的最大正负电压。对于 TI 的几个最新 ESD 二极管，该安培数规定为 10nA。一旦电压超过V RWM，它就接近击穿电压（V BR)，其定义为通过二极管的电流超过 1mA 时的电压。

选择具有包含接口整个电压范围的 V RWM的 ESD 二极管以最大限度地减少正常工作期间的泄漏电流至关重要。这样做时，重要的是要注意二极管的极性配置。ESD 二极管有两种配置，如下表所列。


设计举例：选择合适的 ESD 二极管来保护在 19V 传输线脉冲 (TLP) 下发生故障的 USB 2.0 系统。

USB 2.0 差分信号的电压范围约为 0V（逻辑低）至 3.6V（逻辑高），因此您需要确保二极管的 V RWM包含此范围。
USB 2.0 带宽最高可达 480Mbps，因此您需要选择具有适当电容的二极管来保持信号完整性。
需要满足 IEC 61000-4-2 第 4 级合规性要求，因此 ESD 二极管的额定值必须至少为 8kV 接触放电和 15kV 气隙放电。
16A TLP 处 ESD 二极管的钳位电压必须低于 19V，因为系统将在 19V 时失效。
TPD1E04U04 是一个很好的解决方案，因为它满足所有这些要求：

它是一个单向 ESD 二极管，其 VRWM 为 0 至 3.6V。
它具有 0.5pF 的低电容。
它具有 16kV 接触和 16kV 气隙的 IEC 61000-4-2 额定值。
16A TLP 的钳位电压为 9V。