工程師都在知道在設(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)考慮到ESD，通常也會(huì)使用到TVS二極管。但是重點(diǎn)在于需要多保護(hù)，什么時(shí)候不需要保護(hù)了？這篇文章會(huì)對(duì)電路進(jìn)行模擬。

一、ESD 保護(hù)電路的作用

主要就是減少電壓和電流，一旦減少，IC的內(nèi)部ESD保護(hù)就可以解決剩下的問題。

下圖顯示了普通PIC16控制器的框圖，雖然說并不是所有的微控制器/IC都會(huì)使用這種完全相同的ESD保護(hù)電路，但是會(huì)非常相似。通常來說，二極管的尺寸非常小，沒有辦法在燒毀的情況下處理通過的大量電流。

注意引腳左側(cè)的兩個(gè)二極管，是內(nèi)部ESD保護(hù)電路。

任意 IO 引腳的 PIC16F616 內(nèi)部框圖

下圖這個(gè)例子，在ESD事件期間，如果沒有外部TVS二極管，IC會(huì)在引腳上看到超過300V的電壓，很有可能會(huì)使內(nèi)部保護(hù)過載并損壞設(shè)備。通過添加單個(gè)外部TVS二極管，可以減少這種情況發(fā)生。

二、5種ESD保護(hù)電路+模擬

為了更好地展示ESD事件期間不同保護(hù)方案的工作原理，下面對(duì)5種不同ESD保護(hù)電路的方案進(jìn)行模擬。

下面為ESD：

對(duì)該電路進(jìn)行測(cè)試，使用2R校準(zhǔn)電阻（R14），會(huì)生成一下電流/時(shí)間圖。

使用 2R 校準(zhǔn)電阻

了解后，使用此電路測(cè)試各種不同的ESD保護(hù)電路。

1、無ESD保護(hù)電路

下面這個(gè)電路模擬了IC內(nèi)部的ESD保護(hù)電路，ESD應(yīng)用于暴露的GPIO引腳，具有少量寄生電阻：

無ESD保護(hù)電路

模擬

GPIO引腳電壓超過1KV，11A通過D1。根據(jù)下圖曲線，沒有ESD保護(hù)會(huì)使內(nèi)部保護(hù)二極管暴露在極端的電壓和電流下，可能會(huì)導(dǎo)致二極管失效。由于通過 D1 的電流與電壓 GPIO 直接相關(guān)。

無ESD保護(hù)電路，GPIO 引腳電壓超過 1kV，11A 通過 D1。

2、串聯(lián)ESD保護(hù)電路

這里的ESD保護(hù)電路只是簡(jiǎn)單地使用一個(gè)串聯(lián)電阻。對(duì)于這個(gè)模擬，使用220R，串聯(lián)電阻用于減緩信號(hào)的上升時(shí)間，并且可以大大改善電路的EMC和SI。

ESD保護(hù)電路使用一個(gè)串聯(lián)電阻

模擬

如下圖所示，最大GPIO電壓降低了近50%，通過D10的電流降低了40%。雖然說依舊會(huì)損壞IC，但確實(shí)也顯示了單個(gè)電阻可以增加ESD保護(hù)產(chǎn)生的影響，如果IO引腳上的信號(hào)允許，可以使用更大的電阻提供額外保護(hù)。

與無 ESD 保護(hù)相比，串聯(lián)電阻的曲線圖顯示出顯著改善。

3、電容

另一種簡(jiǎn)單的ESD保護(hù)電路在引腳到地之間簡(jiǎn)單地加一個(gè)1nF電容。與串聯(lián)電阻類似，電容的大小取決于線路的用途。

在 GPIO 線與地之間添加了一個(gè) 1nF 電容

模擬

如下圖所示，單個(gè)1nF小電容使曲線圖發(fā)生巨大變化。峰值電壓小于330V，電流限制在3A左右。

這個(gè)ESD保護(hù)電路潛在的問題是事件比現(xiàn)在要長(zhǎng)的多，可能使內(nèi)部保護(hù)二極管過熱，并且可能破壞線路上的任何數(shù)據(jù)。

這個(gè)圖與前面2個(gè)完全不一樣，電容顯著減慢了事件的上升時(shí)間

將電容換成10nF，進(jìn)一步降低了峰值電壓，但是事件發(fā)生的事件也被延長(zhǎng)了。

一個(gè) 10nF 的電容進(jìn)一步降低了峰值電壓

串聯(lián)電阻也是這樣，電容越大，提供的保護(hù)越多，但是有個(gè)例外，具有低ESR的大陶瓷電容會(huì)導(dǎo)致振鈴。因此，通常需要將串聯(lián)電阻與電容結(jié)合使用，至少用其串聯(lián)的電阻來阻尼電容。另外，不可以將這種方法用于任何通信或者高速信號(hào)，因?yàn)殡娙輹?huì)使總線負(fù)載過大。

4、TVS二極管

接下來是TVS二極管，是ESD保護(hù)電路最常用的方法之一，作用與齊納二極管基本相同，傳導(dǎo)速度更快，浪涌額定值更高（有時(shí)候也沒有指定的連續(xù)電路/額定功率）。

有一些重要的定義/規(guī)范：

• 反向工作最大電壓 (VRWM)：正常工作條件下應(yīng)施加的最大反向電壓。

• 擊穿電壓 (VBR)：二極管剛開始導(dǎo)通時(shí)的電壓。

• 鉗位電壓 (VCLAMP)：系統(tǒng)在浪涌期間將經(jīng)歷的最大電壓。

• 動(dòng)態(tài)電阻 (RDYN)：二極管完全導(dǎo)通時(shí)的估計(jì)電阻。

這里要注意單向二極管和雙向二極管是不一樣的。在GPIO上使用 8.2V 齊納 (TVS) 二極管接地。

在GPIO上使用 8.2V 齊納 (TVS) 二極管接地。

模擬

可以看到GPIO 引腳上的電壓大幅下降。最大現(xiàn)在約為16V，通過D10的電流僅為100mA。內(nèi)部保護(hù)二極管可以這樣使用。

GPIO 引腳上的電壓大幅下降

這里必須要知道的是外部TVS二極管D12承受的壓力，如下圖所示：

顯示了 TVS 二極管 D12 在 ESD 事件期間承受的電流

TVS的電流等級(jí)

當(dāng)使用 TVS 二極管時(shí)，Datasheet上會(huì)有“電流 – 峰值脈沖 (10/1000μs)”的規(guī)格。這是 TVS 二極管在指定時(shí)間和波形下可以處理的最大額定電流。

TVS的電流等級(jí)

10/1000μs 是衡量 TVS 二極管功率處理性能的常用規(guī)格。

降低電流并保護(hù)TVS二級(jí)管的一種簡(jiǎn)單方法是在TVS的連接器側(cè)使用串聯(lián)電阻。在在 TVS 二極管的 ESD 側(cè)放置了一個(gè) 220R 電阻。

在 TVS 二極管的 ESD 側(cè)放置了一個(gè) 220R 電阻

在 TVS 二極管的 ESD 側(cè)放置了一個(gè) 220R 電阻。

模擬

下圖顯示通過 TVS 二極管的電流減少了近 50%。當(dāng)峰值電流/電壓降低時(shí)，事件的長(zhǎng)度增加。

通過 TVS 二極管的電流減少了近 50%

電阻還會(huì)影響 GPIO 引腳上的峰值電壓。如下圖所示：TVS 二極管 + 串聯(lián)電阻的曲線圖顯示 GPIO 引腳上的峰值電壓略有下降。

TVS 二極管 + 串聯(lián)電阻的曲線圖顯示 GPIO 引腳上的峰值電壓略有下降

TVS 二極管 + 串聯(lián)電阻的曲線圖顯示 GPIO 引腳上的峰值電壓略有下降。

5、雙肖特基二極管

我偶爾會(huì)使用到的一個(gè)ESD保護(hù)電路是雙肖特基二極管，將一個(gè)偏置到地，另一個(gè)偏置到輸入電壓軌。與TVS方法不同的地方在于，在正電壓尖峰期間，功率會(huì)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到正軌，而不是接地。這意味著必須有一個(gè)低阻抗的配電網(wǎng)絡(luò)。如下圖：

兩個(gè)肖特基二極管 D18 和 D19，分別偏置到地和正電壓軌。

兩個(gè)肖特基二極管 D18 和 D19，分別偏置到地和正電壓軌

兩個(gè)肖特基二極管 D18 和 D19，分別偏置到地和正電壓軌。

模擬

V15（電源）仍然具有相當(dāng)大的 100R 串聯(lián)電阻。這意味著在正 ESD 事件中，浪涌基本上通過 D19，然后是 100R 電阻，然后通過接地完成電路。如下圖所示，這并不是一個(gè)很好的保護(hù)方案。

用 100R 電源時(shí)，雙 TVS 二極管基本上不提供保護(hù)

這里需要注意的另一個(gè)問題是肖特基的反向額定電壓，如果超過就會(huì)損壞二極管。電壓電源的阻抗更改為 1R，即可使雙肖特基方法比 TVS 更有效。

電壓電源的阻抗更改為 1R，可使雙肖特基方法比 TVS 更有效。

考慮到大多數(shù)電源的阻抗遠(yuǎn)低于 1R，這種方案可能非常有效。如果使用這種方法，就必須要考慮到你的配電網(wǎng)絡(luò)。

三、使用什么ESD保護(hù)電路

這里主要是3個(gè)：

1、高速（USB/以太網(wǎng)/HDMI/等）

此類的信號(hào)比較容易設(shè)計(jì)保護(hù)，因?yàn)閷?duì)于每個(gè)信號(hào)在降級(jí)發(fā)生之前可以具有的最大總線電容有非常詳細(xì)的規(guī)范。

通常我會(huì)使用專為信號(hào)類型設(shè)計(jì)的TVS二極管，然后看串聯(lián)是不是能接受，一般取值會(huì)大一點(diǎn)。

2、慢速接口，一般保護(hù)

這些是離開PCB的通用引腳，一般用于LED或者開關(guān)或者觸摸板。這里的關(guān)鍵是不會(huì)受到惡劣環(huán)境的影響。

對(duì)于這些，通常會(huì)使用TVS+大串聯(lián)電阻，根據(jù)應(yīng)用，可能會(huì)使用雙肖特基方法，因?yàn)橛眠@個(gè)還可以提供過流和短路保護(hù)。

3、慢接口，高防護(hù)

與上面的非常相似，除了針對(duì)工業(yè)應(yīng)用，或者故障是不可接受的情況，這樣的話，會(huì)在信號(hào)中添加一個(gè)額外電容，從而顯著降低轉(zhuǎn)換率。

本文來源百芯EMA說DFM 在此特別鳴謝！