如何正确选择ESD保护二极管

        ESD保护二极管是一种齐纳二极管，专门用来保护电路免受过压浪涌，特别是静电放电（ESD）事件的影响。 当二极管反向偏置时，有很少的电流从阴极流向阳极。然而，当反向偏压超过某一点（称为反向击穿电压）时，反向电流突然增加，并且，随着反向偏压增加，无论二极管流过的电流大小，二极管都会形成恒定电压区域，从而达到抑制浪涌电压的目的。

        TVS二极管主要的电气特性参数如下：

        1. 工作峰值反向电压（Working peak reverse voltage），VRWM：

        电压低于工作峰值反向电压时，ESD保护二极管阻抗非常高，即使施加工作峰值反向电压，也只有小于规定漏电流的电流流过，设计师可以用这个参数作为指导，确保其高于被保护信号线的最大工作电压。

        2. 总电容（Total capacitance），Ct：

        CT是在指定反向电压和频率下施加小信号时，二极管端子上的等效电容，是二极管的结电容与其封装的寄生电容之和，结电容随反向电压的增加而减少。

        3. 动态电阻（Dynamic resistance），RDYN：

        动态电阻是指ESD保护二极管随着反向电压的增加反向击穿时，如下图所示，VBR与VC之间VF–IF 曲线的电流斜率。

        4. 反向击穿电压（Reverse breakdown voltage），VBR：

        反向击穿电压是ESD保护二极管在规定条件下（通常定义为1mA，尽管因器件而异）开始传导规定量电流时的电压，VBR最初是为齐纳二极管定义的参数，后被定义为ESD保护二极管导通电压。

        5. 反向电流（Reverse current），IR：

        反向电流是ESD保护二极管在规定电压下反向偏置时，反向流动的漏电流，对于ESD保护二极管，如下图所示，IR按工作峰值反向电压（VRWM）定义。

        6. 钳位电压（Clamp voltage），VC：

        钳位电压是ESD保护二极管指定峰值脉冲电流条件下最大钳制电压，如下图所示，VC通常在多个峰值脉冲电流点测量。

        上述的电气参数，将在下述的两种工作状态中，发挥其作用：

        1. 正常工作状态（无ESD事件）的主要特性

        由于ESD保护二极管反向连接，正常工作时，其两端电压低于反向击穿电压（VBR），因此，ESD保护二极管正常工作时不导通。此时，pn结形成耗尽层，二极管起电容器作用。 选择ESD保护二极管时，以下三个注意事项适用于正常工作状态：

        1) ESD保护二极管反向击穿电压（VBR）是否充分高于被保护信号线的振幅（最大信号工作电压）？

        ESD保护二极管两端电压接近反向击穿电压（VBR）时，漏电流增加。电压接近VBR时，漏电流可能使保护信号线的波形失真，此时，反向电流（IR）随反向电压（VR）成指数增长，因此，选择VRWM高于被保护信号线振幅的ESD保护二极管非常重要。

        2) ESD保护二极管总电容（CT）相对于受保护信号线的频率是否足够低？

        二极管在正常工作期间不导通，此时，pn结交界面形成耗尽层在电气上起电容的作用，因此，除非在考虑被保护信号线频率的基础上，正确选择ESD保护二极管，否则信号质量会下降。 具体而言，即电容大的二极管插入损耗高，从而限制了可使用的频率范围。 例如，在Thunderbolt（带宽为10Gbps，相当于5GHz的频率）的情况下，电容小（0.1pF至0.3pF）的ESD保护二极管插入损耗小，几乎不会影响传输的信号，而5pF电容的ESD保护二极管插入损耗大，通过二极管时信号高频成分将被明显衰减，从而造成信号失真，因此，选择CT值小的二极管对于信号完整性非常重要。

        3) 信号极性（即信号电压是否像模拟信号一样跨GND电位）？

        考虑到要保护的信号线的极性，有必要选择单向或双向ESD保护二极管，双向ESD保护二极管可用于高于和低于GND范围的信号，而单向的则不能。

        2. ESD事件保护状态的主要特性

        当静电放电（ESD）进入系统时，ESD保护二极管要么导通，要么反向击穿，其保护工作需要注意以下三点：

        1) 低动态电阻（RDYN）

        在发生ESD冲击时，ESD电流同时流入ESD保护二极管和受保护器件（DUP），这种情况下，减少流入受保护器件的电流（即增加分流到ESD保护二极管的电流）是非常重要的。

        目前，ESD保护二极管数据表含有动态电阻（RDYN），RDYN是反向导通模式下VF–IF曲线的斜率，如果发生ESD冲击，给定电压下，低动态电阻ESD保护二极管可以传输更大电流。

        例如，从连接器端看，ESD保护二极管和受保护器件的阻抗可视为并联阻抗。如果ESD保护二极管阻抗（即动态电阻）低，则大部分浪涌电流可通过ESD保护二极管分流，减少流入受保护器件的电流，从而降低损坏的可能性。

        2) 低钳位电压（VC）和第一峰值电压

        具有低VC的ESD保护二极管可提供更好的ESD脉冲保护，此外，一些ESD保护二极管在ESD脉冲进入后不会立即响应，因此，如果ESD脉冲第一峰值电压高于ESD保护二极管的VC，则该脉冲可能施加到受保护器件，造成故障或破坏，因此，ESD保护二极管的响应速度要高于其他类型保护器件。

        3) 耐受性：

        电路设计中，为保证ESD保护二极管使用寿命和可靠性，不得超过最大额定值：ESD保护二极管根据绝对最大额定值机制定义最大额定值。

        绝对最大额定值指任何条件下，即使瞬间也不得超过的最高值。如果施加的应力超过规定的额定值，器件可能会永久损坏。应考虑的主要额定值包括ESD保护二极管的ESD容限、峰值脉冲功率、结温和存储温度。这些参数相互关联，不能单独考虑。尽管绝对最大额定值通常规定的环境温度（Ta）为25°C，但有些规定参数温度条件不同。

        如下图所示，具体的参数定义：

        a. 静电放电电压（IEC 61000-4-2）（接触），VESD：

                指接触放电ESD容限，即通过与受保护器件直接接触放电。

        b. 静电放电电压（IEC 61000-4-2）（空气），VESD：

                指空气放电ESD容限，即被测器件（EUT）与放电枪之间通过空气层放电。

        c. 峰值脉冲功率（tp＝8／20μs），PPK：

                PPK是ESD保护二极管本身损坏之前可以分流的最大浪涌功率。

        d. 峰值脉冲电流（tp = 8／20μs），IPP：

                IPP是ESD保护二极管本身损坏之前可以分流的峰值脉冲电流。

        e. 结温，Tj：

                Tj是ESD保护二极管可以不劣化或自损坏的情况下工作的最高结温。

        f. 存储温度，Tstg：

                Tstg是ESD保护二极管不加电压的情况下可以存储和运输的环境温度范围。

        综上所述，选择正确的ESD保护二极管，就是对这些主要电气特性做选择，总结如下：

        1. 保持被保护信号的质量

                1) 信号线电压：根据被保护信号线的最大电压，选择具有相应反向击穿电压（VBR）或工作峰值反向电压（VRWM）的ESD保护二极管；

                2) 信号极性：跨GND电平信号（如模拟信号），使用双向ESD保护二极管。

                3) 信号速率：根据被保护信号线的最大频率，选择总电容（CT）合适的的ESD保护二极管。

        2. 增强ESD保护性能

                1) 动态电阻：选择动态电阻（RDYN）尽可能低的ESD保护二极管。

                2) 钳位电压：根据所需VRWM选择最小钳位电压（VC）的ESD保护二极管。

务必选择VC低于受保护器件耐受电压的二极管。

        3. ESD保护二极管ESD耐受性

                1) IEC 61000-4-2：选择保证ESD性能高于系统ESD抗扰度要求的ESD保护二极管。

        最后，关于TVS二极管在PCB上的布局，常规的注意事项如下：

        1. ESD保护二极管靠近ESD进入点，比如靠近连接器放置；

        2. ESD保护二极管和受保护线路以及GND之间的串联走线电感降至最低；

        3. 不要将任何电路板走线与可能引入ESD脉冲的信号走线并行，尤其是ESD抗扰度低的走线。