工业接口如何选择合适的ESD二极管

说到半导体器件的稳定性，肯定逃不开一个话题，那就是ESD和浪涌。不管是哪种应用场合，下到消费电子，上至汽车电子，器件在高速的电量传输过程中不可避免地会产生潜在的破坏性电压、电流。一旦风险发生，电路会在瞬间被烧毁。

ESD的本质是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果，绝大多数电子元件在数百伏的电压下就会损坏，有的器件甚至不需要上百伏，在几十伏时就会损坏。往往我们会需要高效能的保护元器件来保护电路，当两极受到反向瞬态高能量时候能够吸收浪涌，对后级电路形成有效的保护。

ESD二极管对电路的保护

电路中不存在ESD保护的话，通过接口连接产生的高压ESD冲击会导致大电流峰值直接流入集成电路，造成损坏。为了保护敏感电路免受电气过应力故障，ESD保护二极管会连接到接口连接器和集成电路之间的每个信号线。

在静电危险发生时，ESD二极管被击穿并产生一个低阻抗路径，该路径通过将电流转移到地面来限制电路的峰值电压和电流，从而保护整个集成电路。接地这种办法是防静电措施中最基本最直接最有效的，即便用这种最基本的办法产生低阻抗路径，电路峰值电压也会与之前相差非常大，有数量级上的差别。

 
（ESD保护二极管，TOSHIBA）

ESD防护会有几个方面需要注意，首先自然是工作电压上的。接口的信号电压不应超过ESD设备在负方向或正方向上的工作电压，以防止不必要的击穿。电容也是需要重点关注的，由于ESD二极管与信号轨迹并行连接，因此它们给系统增加了一些寄生电容。ESD器件的电容在高速接口中特别重要，电容必须尽可能做得很小，否则信号的完整性会受到干扰，原本的防护也变成了累赘。

通过IEC 61000-4-2标准意味着ESD设备有更高的鲁棒性，IEC 61000-4-2额定值越高，ESD设备所能承受的电压就越高。而ESD设备可以有多种通道和配置，根据接口的不同，多通道设备可以比单通道设备节省更多的板空间，单通道设备则比多通道解决方案能提供更多的设计灵活性。

ESD防护的应用

拿工业场景中常见的4-20mA信号标准为例，该标准是工业应用中最流行的传感器信号传输接口之一。PLC为系统提供电压源，传感器使用该电压源以4-20ma电流的形式传输它们从外部环境接收到的数据。这种4-20mA环路的优点是传输数据几乎没有信号丢失。但是，4-20mA使用的电缆往往会很长，并且现在还有向更长的电缆发展的趋势，这意味着ESD和浪涌脉冲很容易耦合到电缆上损坏系统。

我们可以看到，4-20-mA使用的连接器、防护器件都会对静电防护有较高的要求，尽可能减少风险耦合到电缆上，符合IEC 61000-4-2和IEC 61000-4-5标准级别的ESD二极管是必需的。将ESD二极管放置在发射机、电源和接收器前，来保护设备免受耦合到4-20mA电缆上的浪涌或静电冲击。

 
（4-20mA环路电路保护，TI）

由于大多数4-20-mA电压源都是24V，所以在这种环路中配置的ESD二极管往往是一个工作电压略高的二极管。另外，受限于PLC、I/O模块以及现场发射器的空间，保护二极管尺寸需要越小越好。

低动态电阻和低钳位电压在这种工业系统的ESD防护器件里是很重要的指标。因为IEC 61000-4-2等级仅仅说明了ESD二极管本身可以承受多少电压，这个额定值并不代表二极管下游的电路是否能受到保护。ESD二极管的钳位电压才决定下游IC是否会受到保护。肯定是希望钳位电压越低越好，这样下游电路才能尽可能少地暴露在击穿环境下。

上面也提到了，电容肯定是不可忽视的。整个环路会有一个电容预算，虽然根据系统设计不同最大的ESD电容值会有些差异，流行的高速接口也都会有一些电容范围，比如GPIO需要＜30pF的电容，HDMI需要＜0.5pF的电容，以太网一般在4pF以下等等。工业通信场景中一般电容在3pF左右较为合适。

小结

对于ESD防护来说，并不是保护电压越高越好，确定ESD保护效率的最佳参数是钳位电压，钳位电压很差意味着电路将会对瞬态电压更敏感。在端口和接口进行防护，使其免受各种瞬态过压事件的影响是提升电路可靠性非常重要的一环。从另一个角度来说，ESD保护在提供足够的防护之外对工业系统的信号完整性也有着不小的作用。