詳解外部ESD防護(hù)的一些應(yīng)用

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/李寧遠(yuǎn))在關(guān)注半導(dǎo)體器件以及連接器件的穩(wěn)定性時，我們總會說到ESD和浪涌。ESD的本質(zhì)是正電荷和負(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果，在高速的電量傳輸過程中，往往會產(chǎn)生潛在的破壞性電壓、電流。絕大多數(shù)電子元件在數(shù)百伏的電壓下就會損壞，有的器件甚至不需要上百伏，在幾十伏時就會損壞。浪涌同樣如此，能夠瞬間燒壞電路。

外部ESD防護(hù)的一些應(yīng)用

當(dāng)下基于先進(jìn)工藝的半導(dǎo)體器件會提供基礎(chǔ)的設(shè)備級的ESD保護(hù)，但這種級別的ESD規(guī)格是不足以完全保護(hù)系統(tǒng)中設(shè)備的，系統(tǒng)級別的ESD打擊的能量級別會超出基礎(chǔ)設(shè)備級ESD的防護(hù)能力，需要引入外部的ESD防護(hù)來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的可靠性。

這里先看一個用于以太網(wǎng)物理層PHY的外部電路保護(hù)。下圖示例中，需要對連接器中的Tx/Rx信號線提供4個通道的ESD保護(hù)。這些信號的電壓范圍從1V到2.5V，并且以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)下的帶寬包括10mbps、100mbps、1Gbps。不同的這些速度下，對應(yīng)的ESD二極管的電容需要做出調(diào)整。

(以太網(wǎng)外部電路保護(hù)，TI)

在以太網(wǎng)的電路應(yīng)用中，為了在負(fù)方向提供足夠的保護(hù)，一般會選擇單向的外部ESD保護(hù)。另外在電容的選擇上要注意，尤其是千兆以太網(wǎng)應(yīng)用，電容<4.5pF更合適。

再看看工業(yè)應(yīng)用中常見的4-20-mA標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)傳感器以4-20mA電流的形式傳輸它們從外部環(huán)境接收到的數(shù)據(jù)。這種4-20mA環(huán)路的電纜可能很長，ESD和浪涌脈沖可能耦合到電纜上并損壞系統(tǒng)。

(4-20mA環(huán)路電路保護(hù)，TI)

多數(shù)4-20mA電壓都是24V，因此可以在電源(包括發(fā)射端、接收端)前面添加一個電壓略高一點的二極管來進(jìn)行防護(hù)。這一類空間受限類的應(yīng)用，保護(hù)二極管要越小越好。

浪涌保護(hù)TVS與平緩鉗位技術(shù)

TVS二極管是浪涌保護(hù)里很流行的選擇，一來它并不復(fù)雜，二則是成本很低，能完成短時間內(nèi)分流高電流浪涌的任務(wù)。想要實現(xiàn)較高的性能表現(xiàn)，TVS二極管的鉗位系數(shù)VCL/VBR要足夠低，同時響應(yīng)速度必須快，在工業(yè)上的應(yīng)用則更多的要考慮功率密度。在封裝上，各廠商都盡可能地將其封裝做得很小，畢竟較大的封裝一直是TVS被人所詬病的地方。

如果使用TVS也不足以進(jìn)行保護(hù)，這種情況又該怎么辦?這種情況一般會增加串行電阻，降低保護(hù)IC I/O的鉗位電壓。但對于某些接口來說，添加串行電阻可能會超過標(biāo)準(zhǔn)中指定的阻抗，也有可能減少帶寬，這是要注意的。

(TVS效果，ST)

TI的平緩鉗位技術(shù)相比于TVS，提供了一個精確的、平坦的同時和溫度無關(guān)的電壓，進(jìn)一步減少了系統(tǒng)的電壓風(fēng)險。根據(jù)TI給出的數(shù)據(jù)，該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下的浪涌保護(hù)IC封裝面積比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微型A(SMA)/微型B(SMB)小90%，與傳統(tǒng)的基于TVS的方案相比，電容要低得多，低了五成左右。

該技術(shù)集成了電壓傳感電路、柵極驅(qū)動電路和作為主動鉗的功率場效應(yīng)晶體管。電壓感應(yīng)電路確定觸發(fā)電壓。當(dāng)鉗內(nèi)的輸入電壓低于觸發(fā)電壓時，柵極驅(qū)動器和功率FET關(guān)閉。一旦輸入電壓高于觸發(fā)電壓，柵極驅(qū)動器和功率FET將打開，以鎖定引腳處的電壓。

其他問題

對于ESD防護(hù)來說，也不是保護(hù)電壓越高越好。確定ESD保護(hù)效率的最佳參數(shù)是鉗位電壓，假設(shè)是30kV的ESD二極管，但是鉗位電壓很差，這意味著電路將會對瞬態(tài)電壓更敏感。除非是車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用，才會考慮高于8kV的ESD魯棒性。

有些ESD保護(hù)會添加快速恢復(fù)性能，標(biāo)準(zhǔn)ESD保護(hù)在擊穿電壓被激活后，其電壓隨電流線性增加到鉗位電壓。快速恢復(fù)性能意味著在保護(hù)觸發(fā)后降低鉗位電壓。

小結(jié)

在器件端口和接口進(jìn)行防護(hù)，使其免受各種瞬態(tài)過壓事件的影響是提升電子器件可靠性非常重要的一環(huán)。從另一個角度來說，ESD和浪涌保護(hù)在提供足夠的防護(hù)之外對系統(tǒng)的信號完整性也有著不小的作用。

原文標(biāo)題：ESD和浪涌保護(hù)技術(shù)應(yīng)用

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審核編輯：湯梓紅