静电放电保护器件种类与特点

概述

静电放电(ESD)是一种意外的快速高压瞬态波形，出现在电路内的导体上。ESD引起的高电压和电流峰值可能导致静电敏感IC等器件发生故障。人际接触是ESD的常见来源。即使人与电路没有直接接触，电容式检测开关等器件也可以允许电荷耦合到电导体上。在ESD放电可能导致电路故障的情况下，需要ESD保护。

电磁干扰(EMI)：电磁辐射的存在，可能会破坏附近的系统。EMI的来源包括电风暴(闪电)，主电源线中断，太阳辐射和附近的电路(电源，变速电机驱动器，电弧焊机等)。

电磁兼容（EMC）：衡量系统在以下两方面的能力

在电磁辐射（EMI）下正常工作

不会发出超过系统类型及其使用环境所定义的法规的EMI。

静电保护器件种类

下表总结了可用于 ESD 保护的不同组件。大致按从最低功率到最高功率分量排序。

MLCC陶瓷电容器

优势：便宜、小

缺点：对高功率ESD事件无效

对高电压|敏感适用于帮助降低由小 ESD 事件引起的电压尖峰

Zenor齐纳二极管

优势：非常严格控制的“接通”电压

缺点：对高功率ESD事件无效

齐纳二极管是雪崩二极管的一种形式，就像TVS一样。主要区别在于，齐纳二极管通常设计用于更清晰的导通特性(用于电压调节目的)，而功耗则更小。

TVS瞬态电压抑制二极管

优势：导通时间快（特别是单向个，双向较慢）

        可处理中等功率 ESD 事件

缺点：不适合作为单个元件来有效应对高功率ESD事件(需要与MOV，火花间          隙或GDT配对)。

MOV(金属氧化物压敏电阻)

优势：通流量大

缺点：累积退化

大漏电流

大电容 (10−1000pF10−1000pF)

气体放电管

优势：可熄灭极高功率 ESD 事件(例如雷击)

缺点：比TVS二极管更笨重、更昂贵

不要具有低而尖锐的导通电压，因此通常与TVS二极管结合使用。

累积降级为高功率事件

GAP火花间隙

火花间隙非常简单(只是PCB层上的铜形状!工作原理与GDT相同，但没有受控的气氛和压力。

标准

IEC-61312-1：雷电电磁脉冲保护，于1995年首次推出。

Telecordia GR-1089核心：电磁兼容性和电气安全 - 网络电信设备的通用标准：电信服务提供商使用。它包含 NEBS(网络设备 - 建筑系统)标准。

IEC 61643-1，第一版，1998年，连接到低压配电系统的浪涌保护器件。最早引用8/20us雷电波形之一。

IEEE C62.41.2，关于低压(1000 V及以下)交流电源电路中浪涌电压特性化的推荐做法。

符合 IEC 61000-4系列标准

IEC 61000-4 完全是关于电磁兼容性 (EMC) 的。

符合 IEC 61000-4-2 标准

例如，上海雷卯 ULC0511CDN ESD 二极管阵列的 ESD 耐压 VESD 的额定值为 ±30kV(符合 IEC61000-4-2(接触)，±30kV，符合 IEC61000-4-2(空气)标准。

IEC 61000-4-4

特别令人感兴趣的是第4部分(61000-4-4)，标题为“测试和测量技术 - 电气快速瞬变/突发抗扰度测试”。它详细介绍了如何在电路上构建测试以测量其对ESD的敏感性，重点是来自源的ESD，例如感性负载的中断和继电器触点反弹。第一版于1995年发布。截至2022年，2012年版本是最新的。

IEC 61000-4-4 定义了一些测试级别，以及端口必须能够承受的相关峰值电压。“电源端口”和“信号端口”之间是有区别的。

测试级别	峰值电压 - 电源端口	峰值电压 - 信号端口
1	0.5千伏	0.25千伏
2	1千伏	0.5千伏
3	2千伏	1千伏
4	4千伏	2千伏
X	不适用	不适用

测试级别 X 指定一个特殊测试，其中级别由用户定义。所有级别的“重复频率”均为5或100kHz。

CMOS I/O 上的内部 ESD 保护

内置保护在CMOS I/O引脚上非常常见，这些引脚可能是器件的一部分(从简单的负载开关到中等复杂性的微控制器，再到高复杂性的FPGA)。它们通常为每个 I/O 引脚两个。一个连接在引脚和GND之间，一个连接在引脚和VCC之间。两者在正常工作条件下均为反向偏置(GND<=VI/O<=VCC)。

CMOS数字I/O引脚示意图，突出显示了许多设计中普遍存在的内部保护二极管(即使IC数据手册中没有提到它们)。

它们用于在引脚发生故障时保护敏感的CMOS逻辑。如果VI/O 上的电压高于 VCC(例如，正 ESD 电压尖峰)，则顶部二极管导通，将引脚上的电压箝位至不超过VCC+Vf。同样，如果VI/O上的电压降至VGND以下(例如，负ESD电压尖峰)，则底部二极管导通，将引脚上的电压箝位至不超过−Vf。

要小心，因为这些二极管通常具有相当低的最大电流。超过此最大电流将吹动ESD二极管，通常导致其开路，从而消除了敏感CMOS电路的保护，然后几乎瞬间被油炸。然后，您的 I/O 引脚将停止工作。如果幸运的话，它只会是一个受影响的引脚。如果没有，整个端口(如果适用)，甚至整个设备都会被失效。

无论它们多么有用，它们也会在特定情况下产生设计挑战，因此在进行任何涉及CMOS I/O且存在ESD保护二极管的原理图设计时，都需要仔细考虑。导致问题的两种情况是：为具有多个电压轨的电路上电时。当VI/O上的电压在某些点上可能高于VCC时，由于输入信号的性质。在低功耗设计中，当您有选择地关断为这些IC供电的电压轨时。

单通道普通 TVS 二极管

   

养成一个好习惯 - 将TVS二极管放置在PCB的输入/输出两端(而不仅仅是电源轨，尽管这是本原理图中所示的)。将TVS尽可能靠近PCB的入口位置放置。

如上所示的TVS还可以防止反极性。在这种情况下，TVS将正向导通并将电压箝位至约−0.7V。确保这会熔断保险丝，或者TVS足够大，可以无限期地维持功耗。

在+12V电源上同时使用保险丝和TVS到PCB。在这种情况下，保险丝放置在TVS二极管之前，因此如果+12V以错误的方式连接(电流通过F1和D1)，保险丝也会熔断，此处F1采用leiditech的PPTC系列产品。

TVS阵列  ESD 二极管

可以添加IC外部的额外二极管，以防止通过具有VCC和GND的ESD保护二极管的器件上的CMOS IO引脚泄漏电流。下图显示了如何将它们连接到受保护的IC。

   

添加外部ESD二极管

但是，这种方法有其缺点。IC看到的实际电源电压在二极管上降低两倍的压降(VfVf)(通常为2x 0.5-0.7V = 1.0-1.4V)。此外，IC接地现在与系统接地有很大不同。这可能会干扰单端ADC测量和其他模拟功能。

串联电阻进入 CMOS I/O

最常用的外部ESD保护方法是在ESD能量源和要保护的集成电路引脚之间添加一个小串联电阻。有点违反直觉的是，小至50Ω的电阻可能会使CMOS IC的ESD抗扰度提高一倍。更高的免疫力是可能的;更高的保护水平与增加的串联电阻成正比。此方法的工作原理有两个原因。首先，串联电阻与IC寄生引脚电容(通常为5至10 pF)配合使用，形成截止频率低于1 GHz的单极点低通滤波器。这导致串联电阻衰减大部分 ESD 事件的高频能量(在 HBM 放电中高达 90% 的上升沿功率)。其次，当IC保护电路正常工作时，其阻抗非常低(在几十欧姆或更低的量级)。这种低电阻与串联电阻一起工作，形成分压器，因此ESD事件产生的高电压只能使IC内置保护电路偏置为总ESD电压的一部分。这种衰减是对上升沿滤波的补充。这些影响的总和来自一个简单的外部串联电阻，在要求苛刻的应用中显著提高了ESD性能。

最佳放置

如果要将TVS二极管和串联电阻作为ESD保护添加到CMOS I/O引脚(例如微控制器上的GPIO引脚)，则最好先放置串联电阻(更接近ESD事件的源)，然后再放置TVS二极管(更靠近微控制器)。

这是允许的，因为电阻不会受到ESD的损坏，并且可以消耗大部分功率，仅留下部分用于TVS二极管，这意味着CMOS I/O引脚上的电压不会像其他方式那样变化。

上拉/下拉问题

串联电阻的一个问题是，当与上拉或下拉电阻配合使用时，它们可能会导致问题。上拉/下拉电阻在CMOS I/O输出上很常见，这些输出具有集电极开路(更常见的选择)或发射极开路配置。问题在于，在特定情况下，ESD/限流串联电阻和上拉/下拉电阻将形成分压器。

检查输入的最大数字低电平和最小数字高电压电平。如果它们仍然得到满足，那么您不必担心。

总结

电子产品的接口防护需用过压保护器件，很多工程师意识到要用保护器件，但由于选型不当或没按照ESD电路PCB设计原则，造成产品静电测试或EMC测试不通过，产品多次验证测试，浪费人力财力，造成产品延迟上市的事情总有发生，或过度设计，造成成本压力。

审核编辑：刘清