ESD(静电放电)是指“静电放电”。ESD是20世纪中期以来形成的一门研究静电的产生、危害和防护的学科。因此，国际上习惯将用于静电防护的设备统称为ESD，中文名称为静电电阻器。

通常，TVS(瞬态电压抑制器)二极管，也称为瞬态抑制二极管，作为一种新型的高效电路保护器件被广泛应用，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。当其两端受到瞬时高能冲击时，TVS可以以非常高的速度将两端之间的阻抗值从高阻抗变为低阻抗，从而吸收瞬时大电流，并将两端电压箝位在预定值，从而保护后续电路元件免受瞬时高压尖峰的影响。

什么是ESD？

众所周知，物体在与其他物体的接触和摩擦中会产生和积累电荷。比如，人的皮肤在与物体的接触和摩擦中，经常会失去电子，从而积累正电荷。当积累了大量正电荷的物体与导体非常接近或接触时，电子会迅速从导体转移到积累了正电荷的物体上。这种电子快速转移的过程就是静电放电，英文缩写为ESD。当你在干燥的天气里脱掉外套抓住金属门把手的时候，相信你就知道什么是ESD了。

一般来说，ESD可能高达几千伏，会对敏感的半导体和集成电路造成损害。ESD在集成电路系统的暴露接口中起着非常重要的作用。当人体等带电物体靠近或接触这些接口时，会在PCB上释放ESD电流，容易造成电路损坏。

为了防止系统损坏，我们可以在接口附近放置一个ESD保护二极管。当ESD连接到接口时，ESD保护二极管会将电流引导到地，从而起到保护系统的作用。

如图所示，在接口信号传输到系统的过程中，ESD保护二极管应该处于不可见状态，没有电流流过。然而，当ESD攻击事件发生时，二极管上的电压超过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。

让我们仔细看看这条电流-电压曲线。我们定义当流过二极管的电流为1mA时，二极管达到击穿电压。当输入电压小于二极管的击穿电压时，流过二极管的电流理想情况下应该为零。然而，在现实世界中，一定量的电流泄漏是不可避免的，如图所示。在TI的设计语言中，我们将Vrwm称为工作电压，它被定义为电流为10纳安的点。这个工作电压值可以理解为建议的更大电压信号浮动值，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，如果您的信号范围是0到3.6伏，您应该选择Vrwm高于3.6伏的二极管。如果你选择的二极管工作电压小于3.6伏，很容易造成漏电流。

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。因此，双向二极管可以在其正负工作电压范围内支持正负信号。另一方面，一旦出现负压，单相ESD二极管将被击穿。因此，对于单向ESD二极管，它只能支持0到工作电压范围内的正信号。而单向ESD二极管的反向箝位电压更小，可以提供更好的负电压保护。

总之，双向和单向ESD二极管都可以提供正负ESD电压保护。然而，双向ESD二极管可以传递正负信号，因为它们具有对称的正负击穿电压。然而，单向ESD二极管只能传递正向信号和合适的接口，如USB HDMI和一些其他数字接口。然而，与双向ESD二极管相比，单向ESD二极管具有更好的负电压保护。

IEC 61000-4-2标准

几乎所有的模拟和数字芯片都会在数据手册中标注这种材料的ESD数据。设计者往往会参考这些数据，误以为这些芯片在日常使用中可以免受ESD损害。但是，如果你知道衡量ESD的标准，你就会知道，普通芯片的ESD水平不一定能完全保护电路。

让我们看看数据手册中的ESD模型。之一个是人体模型，简称HBM，模拟工厂环境下人体携带静电接触接地装置的过程。HBM的波形显示在绿线中。值得一提的是，HBM标准是用来衡量芯片在生产、组装、运输过程中是否能免受ESD损害的，并不适合日常使用。

第二个是带电器件模型，简称CDM，模拟带有静电的器件接触电路的情况。蓝线显示了CDM的模拟波形，CDM将在不到20ns的时间内产生非常高的电流脉冲。带HBM的友盟资源网和C的友盟资源网DM一样，也是为了测量芯片生产制造过程中可能遇到的ESD而设计的，并不适合日常使用场景。

我们推出的下一个标准IEC 61000-4-2模型不同于HBM和CDM。它是一个为日常使用而设计的标准，它可以帮助我们衡量芯片是否可以在每天可能接触到的ESD中免受损坏。如红色波形所示，它使用更高的电流脉冲，持续时间更长。

IEC 61000-4-2标准有四个不同的等级，更高等级为4级，适用8kV接触放电和15kV 空气体放电，这意味着您的接口芯片能够受到保护，免受8kV接触放电和15kV空气体放电的损坏。

如果你的芯片达不到这个水平，在电路中加入我们的ESD保护芯片可以帮助你达到这个水平，甚至更高的保护水平。

ESD二极管箝位电压

通常对IEC标准有误解。这里，我们以IEC四级为例。当我们在数据手册中提到这个ESD二极管可以达到8000V的接触放电和15kV空的气体放电时，我们针对的是这个ESD二极管本身可以承受8000V和15kV的ESD冲击，并不代表系统电路也可以承受同样的冲击。ESD二极管的箝位电压可以帮助我们量化系统在受到ESD冲击时会受到的冲击。

如图所示，我们的ESD保护二极管放置在与受保护电路平行的位置。箝位电压的含义是指当系统遭受相应级别的ESD冲击时，系统SE需要承受的冲击电压值。该图显示了系统中8kV IEC脉冲引起的脉冲电压随时间的变化。红色波形表示没有ESD二极管。如果添加ESD保护二极管，当ESD冲击进入系统时，ESD二极管将立即被击穿，并提供低阻抗路径将电流引导至地。在任何情况下，由于阻抗的存在，ESD保护二极管上仍会有一定程度的压降，并且该压降将被并联映射到系统电路。

蓝色波形表示箝位波形，了解箝位电压的更好 *** 是观察ESD二极管的传输线性脉冲曲线，简称TLP曲线。

TLP曲线提供了二极管电压和电流之间的关系，箝位电压可以通过给定的输入电流来计算。例如，当1A的电流放电到ESD二极管时，其箝位电压约为8.4V，当放电电流为2.7A时，箝位电压为9V，当放电电流为5.8A时，箝位电压为10V，以此类推。现在我们可以大致估算出冲击发生时系统将承受的箝位电压。对于8000V的IEC ESD影响，我们只需查看TLP曲线中的16A点。对于该二极管，箝位电压约为13.4V V。

TLP曲线的斜率对于理解二极管保护的好坏非常重要。例如，绿色曲线代表另一个ESD保护二极管，较高的斜率表明它在对应电流时具有较低的箝位电压。根据欧姆定律，这条曲线的斜率就是1/Rdul的动态电阻。因此，当你箝位电压时，选择动态电阻较小的ESD保护二极管，这意味着它具有较小的箝位电压。

静电放电的电容及其对系统的意义

回想一下，ESD保护二极管最重要的功能是在发生ESD影响时将电流引导至地，以保护系统。但是，当系统正常工作时，这个ESD二极管应该是完全不可见的。在现实世界中，情况并非如此，因为二极管会有干扰信号完整性的寄生电容。

我们来复习一下原理知识。二极管由PN结组成，pn结包含正掺杂的P区和负掺杂的N区。在PN结的中心也有一个高电阻率耗尽层。因为P和N掺杂区具有相对低的电阻，例如电容器的极板，而耗尽区作为电容器的电介质具有高电阻。因此，二极管具有电容特性，可视为电容器。如果二极管的寄生电容过高，可能会增加信号的上升和下降时间，从而损害信号的完整性。

比如对于USB 3.0或HDMI 2.0等一些高速接口，眼测是保证接口符合标准的必要测试。但增大电容值会增加信号的上升和下降时间，造成闭眼和信号失真，达不到信号标准的要求。

那么在选择ESD二极管的时候应该选择哪个电容呢？由于每种设计都有自己的电容预算，因此每个接口都没有更大ESD电容要求。不过，该表给出了几种常用接口的一般电容和ESD选择的一些建议。

如何选择ESD二极管

ESD保护的之一步是量化接口电压范围，以确定ESD二极管的工作电压。第二步，选择极性是单向还是双向二极管；第三步是确定二极管在不干扰二极管信号接收完整性的情况下可以达到的更大电容；第四步是确定受保护系统的IC的箝位电压；最后一步是确定ESD是IEC 61000-4-2 4 8kv级接触放电和15 kV 空气体放电。

下面以USB 2.0为例介绍一个简单的例子。你选择了USB 2.0开关和电池充电器，但这两个都需要ESD保护，因为它们直接放在容易受到ESD影响的USB插座旁边。之一步是确定接口的电压范围。对于USB2.0，Vbus可能达到5伏，所以我们可以确定要选择的ESD保护二极管的工作电压需要达到5伏或者略高于5伏。在正常操作中，D和D-负责传输0到3.6伏之间的音叉信号幅度范围。所以我会选择工作电压3.6伏以上的ESD保护双极优优资源网管。

接下来，我们需要确定ESD二极管的极性配置。在我们期望的应用中，因为Vbus、D和D-是大于或等于零的正信号，所以有单向和双向二极管。选择单向二极管有助于提供更好的负电压保护，而选择双向二极管可以提供更灵活的空室设计，因为pin脚可以自定义接地，其次是I/O口。这同样适用于D和D-。

接下来，我们需要确定ESD二极管应该具有的电容。因为Vbus线是DC信号，电容对信号没有影响，但是对于D和D-，高速USB中信号速率可以达到480 MB，所以需要考虑对电容的影响。虽然更大ESD电容也取决于整个系统的总电容预算，但一般来说，我们建议该接口的电容小于2.5pF，如果系统中其他器件的电容值更高，这里可能需要选择电容更小的二极管。

接下来，我们来看看保护系统所需的箝位电压。在这种情况下，我们需要考虑USB开关和电池充电器所能承受的更大电压冲击。我们假设，当TLP发出20伏脉冲时，电池充电器将失效，当TLP16发出16伏脉冲时，USB开关将失效，这意味着为了保护电池充电器免受IEC 8000伏ESD影响，ESD二极管在16安培TLP下的箝位电压必须低于20伏。类似地，为了保护USB开关ESD二极管，在16安培TLP下，箝位电压必须小于16伏。请记住，设备TLP的故障电压不同于设备的绝对更大额定电压。绝对更大电压是DC电压，而TLP是100纳秒的瞬态电压。

我想指出的是，要快速找到系统所需的箝位电压并不是那么容易的。因此，包括TI在内的各种组件制造商已经创建了几种选择工具和指南来推荐基于接口的解决方案。

我们即将完成我们的选择任务。接下来，我们要做的就是确保我们选择的芯片至少能满足IEC61000—4—2 level 4标准，也就是至少一千伏的接触放电和一万五千伏的空气体放电。

这就是ESD的基本知识和选择。如果你想了解更多关于ESD或其他接口的知识，请点击阅读原文，访问EEWorld大学堂了解。

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