你真的了解ESD吗？老司机从零教学系列之学会ESD选型

tlyyy1314 · 发表于 2018-11-24 18:54:13

ESD（Electro-Static discharge）的意思是“静电释放”。ESD是20世纪中期以来形成的以研究静电的产生、危害及静电防护等的学科。因此，国际上习惯将用于静电防护的器材统称为ESD，中文名称为静电阻抗器。

通常，电路中通常采用TVS(Transient Voltage Suppressor)二极管，又称为瞬态抑制二极管，是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，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接触与摩擦中产生并积累电荷。举个例子，人类的皮肤经常会在与物体的接触和摩擦中失去电子，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距离非常近或接触的时候，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就是静电释放，英文简称ESD。当你在干燥的天气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。

一般而言，ESD可能会高达上千伏特，这会对比较敏感的半导体和集成电路造成损害。ESD在集成电路系统中对裸露在外的接口有非常重要的作用，当带有电荷的物体比如人类靠近或者接触这些接口的时候，ESD电流会释放在PCB上，这很容易对电路造成损害。

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作用。

如图所示，在接口信号向系统传输的过程中，ESD保护二极管应该处于隐形状态，并且没有电流流过。然而，当一个ESD攻击事件发生时，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，理想情况下二极管流过的电流应当为零。然而在现实世界中，一定量的电流泄露是必然存在的，如图中所示。在TI的设计语言中，我们将Vrwm称为工作电压，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，所以在一般设计中，我们会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二极管通常有两种极性：双向和单向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。另一方面单相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。