如何选择ESD保护二极管？

如何选择ESD保护二极管？

在电子设备中，静电放电（ESD）是一个常见的问题，它可能导致设备故障或损坏。为了保护设备免受ESD的影响，选择合适的ESD保护二极管至关重要。本文将详细介绍如何根据系统需求选择合适的ESD保护二极管，包括其工作原理、选择标准和布局注意事项。

在选择用于通用接口的ESD保护二极管时，应考虑系统正常工作状态和ESD保护要求。下面简要说明如何选择ESD保护二极管。稍后详细介绍选择过程。

系统正常工作，无ESD进入

ESD保护二极管在系统正常工作期间不执行任何操作，不应影响受保护的信号线。

• 选择反向工作峰值电压（VRWM）高于受保护线路最大电压的ESD保护二极管。
• 单极性正信号选择单向ESD保护二极管，双极性信号线选择双向ESD保护二极管。
• 选择总电容（CT）适合受保护信号线频率的ESD保护二极管。

ESD导致过大电压或电流进入电路板

将ESD能量降低降低到不损坏受保护器件 (DUP) 的水平至关重要。

• 选择具有低钳位电压（VC）的 ESD 保护二极管。
• 选择低动态电阻（RDYN）的 ESD 保护二极管。

摩擦电序中相互远离的两种不同材料紧密接触，往往获得正电荷或负电荷。两种材料在一起摩擦时，一种材料失去电子带正电，另一种获得电子带负电。（请参阅FAQ“什么是静电放电（ESD）？”）

什么是静电放电（ESD）?

当带电物体接触电子设备连接器时，电荷瞬间释放电流脉冲。这种现象称为静电放电（ESD），类似电容放电。

图1显示IEC 61000-4-2标准ESD波形，即众所周知的ESD仿真波形。如图所示，ESD电流在大约1 ns时间内急剧上升至30 A。

图1：ESD测试波形示例（IEC 61000-4-2，8 kV）

进入电路板的ESD能量取决于发射端输出阻抗（即材料电阻率）和接收端输入阻抗。然而， ESD浪涌电压和电流比正常工作期间的信号高得多。因此，ESD冲击可能造成系统内部器件故障或损坏。

灾难性故障有几种模式。以下是半导体损坏的三个示例：

• 高电压故障：电压高于栅氧击穿强度导致电介质击穿形成短路
• 高电流故障：半导体器件中电阻和导线电流过大造成开路
• 高电压和高电流故障：ESD能量导致pn结损坏造成短路

一般情况下，对ESD敏感的IC包含ESD保护电路。这样做的目的是保护电子制造设备中的IC免受ESD的影响。因此，内部ESD保护电路可在ESD受控环境下提供器件级保护。日常系统级ESD能量高于内部电路保护能力。（关于器件级和系统级ESD说明，请参阅FAQ“静电放电 (ESD) 测试”。）

为防止系统级ESD，信号线和GND接地之间可连接外部ESD保护二极管，如图2所示。可能成为ESD进入点的信号线需要ESD保护二极管，包括连接器和触摸传感器外露I/O端口，以及连接天线的VIN线路。

图2：ESD保护二极管插接示例

仅仅增加ESD保护二极管是不够的，重要的是，根据受保护信号线和电路情况选择正确的ESD保护二极管。此外，需要优化ESD保护二极管的布局，以获得最佳保护性能。关于ESD保护二极管的布局，请参阅FAQ“TVS二极管（ESD保护二极管）的电路板设计注意事项”。

TVS二极管（ESD保护二极管）的电路板设计注意事项

下面讨论这个“FAQ”章节开头描述的正常工作和ESD保护所需的电气特性。

系统正常工作状态（无ESD事件）

确保ESD保护二极管不影响其连接的信号线和控制线的信号完整性十分重要。理想情况下，ESD保护二极管应在关断状态下打开（高阻态），但实际上并非如此。ESD保护二极管是一种由pn结组成的齐纳二极管。因此，即使关断状态下，也会有少量漏电流（反向电流，IR）流过二极管。IR随着反向偏压提高，接近反向击穿电压VBR（齐纳电压）。因此，IR可能是一个问题，取决于系统的规格要求。

IR是二极管在规定的反向电压下流过的电流，如图3所示。IR因二极管而异，从0.05 μA到2.5 μA 。对于ESD保护二极管，IR按工作峰值反向电压（VRWM）定义。

假设DUP的输出连接一支47 kΩ上拉电阻。那么，在ESD保护二极管IR为2.5 μA的情况下，上拉电阻会导致信号线电压下降118 mV。由于DUP施加的电压高于VRWM会造成电流呈指数增长，因此，受保护信号线的最大电压必须低于ESD保护二级管的VRWM。

图3：ESD保护二极管的电流-电压 (I-V) 曲线（电气特性定义）

图4：受保护信号线与VRWM之间的关系

对于双极性信号来说，应选择双向ESD保护二极管。这种情况下，受保护信号线的最小和最大电压必须低于VRWM。（关于双向ESD保护二极管，请参阅以下FAQ。）

图5：根据信号频率选择总电容

二极管关闭时，pn结形成耗尽区。耗尽区可看作外部电容。因此，ESD保护二极管的总电容（CT）定义为耗尽区电容和寄生电容之和。为保护高频信号线，必须选择总电容低的ESD保护二极管。图5可作为选择具有相应总电容的ESD保护二极管的指南。

关于耗尽区电容，请参阅以下e-learning内容。

e-learning：可变电容二极管（变容二极管）

当ESD产生过高电压或电流进入电路板时

ESD保护二极管应在ESD进入时导通，抑制电压浪涌，从而降低施加到DUP的电压。因此，必须选择低钳位电压（VC）ESD保护二极管，同时考虑正常工作期间VRWM的限制。

下面，我们来看DUP的工作状态。

如上所述，ESD敏感器件包含ESD保护电路。图6显示两个pn结二极管组成的ESD保护电路示例。

图6：内部ESD保护电路与外部ESD保护二极管

参见图7。当施加到VIN 的信号或ESD电压电平超过电源电压 (VDD) 和二极管正向电压 (VF) 之和，或低于GND – VF以下时，内部ESD保护二极管导通，抑制输入电压。内部ESD保护电路用于器件级ESD保护。施加的ESD电压高于钳位电压可能导致DUP故障或损坏。图7中的红点表示阈值，超过该阈值DUP被ESD损坏。

图7：内部ESD保护电路I-V曲线

图8显示外部ESD保护二极管I-V曲线。（注：图中正向表示反向电压（VR），以匹配IC内部保护二极管的方向。）ESD保护二极管在反向击穿电压（VBR）下进入反向导通模式，在正向电压（VF）下进入正向导通模式。

图8：ESD保护二极管I-V曲线

与IC内部保护电路不同，ESD保护二极管具有低动态电阻 (RDYN)，造成二极管电流正向和反向急剧上升。低动态电阻意味着钳电压变化很小。因此，即使ESD电击能量大的情况下，施加到DUP的电压也不会有很大变化。（这意味着ESD保护二极管的保护性能没有显著变化。）

低动态电阻是由于反向偏置齐纳击穿（或雪崩击穿），以及结区宽并采用专门制造工艺实现二极管电流陡升。

我们看一下ESD保护二极管钳位电压。

假设受保护信号线的电压介于0 V与VDD之间。因此，ESD保护二极管的VRWM 必须大于VDD。图9显示具有不同钳位电压 (VC)，满足这种要求的两支ESD保护二极管（产品A和产品B）假设产品A的钳位电压 (VC_A) 低于产品B (VC_B)。ESD进入后，DUP外部ESD保护二极管和内部ESD保护电路都导通。它们导通时的信号线电压主要取决于外部ESD防护二极管。

从图中可以看到，产品B导通电压和电流高于损坏点。因此，产品B不能用来保护DUP。

图10：ESD钳位电压波形比较

接下来，我们来看两支钳位电压相同，动态电阻RDYN不同的ESD保护二极管（产品A和产品C）。

其中，RDYN_A< RDYN_C

图11显示，在大电流区（即电压高于钳位电压VC的区域），流入外部ESD保护二极管的电流多于流入DUP内部保护二极管的电流。相同电流对比，内部保护二极管两端电压低于外部ESD保护二极管两端电压。也就是说，ESD保护二极管有助于减少ESD电击对DUP产生的应力。因此，如果两个ESD保护二极管钳位电压相同，则建议选择低动态电阻的二极管。

图11：不同动态电阻（VDYN）的产品A和产品C

低钳位电压ESD保护二极管有助于提高系统安全性。

相关产品和资源

关于TVS二极管（ESD保护二极管）产品，请参考以下链接。

• 参数搜索：TVS二极管（ESD保护二极管）
• 目录：Introduction of Toshiba TVS Diodes (ESD Protection Diodes) Line-up (PDF:639KB)

产品

• TVS二极管（ESD保护二极管）
• e-Learning：TVS二极管基础知识（ESD保护二极管）

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