工程師都在知道在設(shè)計的時候會考慮到ESD，通常也會使用到TVS二極管。但是重點在于需要多保護，什么時候不需要保護了？這篇文章會對電路進行模擬。

一、ESD 保護電路的作用

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都會使用這種完全相同的ESD保護電路，但是會非常相似。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)的兩個二極管，是內(nèi)部ESD保護電路。

任意 IO 引腳的 PIC16F616 內(nèi)部框圖

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

二、5種ESD保護電路+模擬

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

下面為ESD：

對該電路進行測試，使用2R校準電阻（R14），會生成一下電流/時間圖。

使用 2R 校準電阻

了解后，使用此電路測試各種不同的ESD保護電路。

1、無ESD保護電路

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

無ESD保護電路

模擬

GPIO引腳電壓超過1KV，11A通過D1。根據(jù)下圖曲線，沒有ESD保護會使內(nèi)部保護二極管暴露在極端的電壓和電流下，可能會導致二極管失效。由于通過 D1 的電流與電壓 GPIO 直接相關(guān)。

無ESD保護電路，GPIO 引腳電壓超過 1kV，11A 通過 D1。

2、串聯(lián)ESD保護電路

這里的ESD保護電路只是簡單地使用一個串聯(lián)電阻。對于這個模擬，使用220R，串聯(lián)電阻用于減緩信號的上升時間，并且可以大大改善電路的EMC和SI。

ESD保護電路使用一個串聯(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%。雖然說依舊會損壞IC，但確實也顯示了單個電阻可以增加ESD保護產(chǎn)生的影響，如果IO引腳上的信號允許，可以使用更大的電阻提供額外保護。

與無 ESD 保護相比，串聯(lián)電阻的曲線圖顯示出顯著改善。

3、電容

另一種簡單的ESD保護電路在引腳到地之間簡單地加一個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 1nF 電容

模擬

如下圖所示，單個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ESD保護電路潛在的問題是事件比現(xiàn)在要長的多，可能使內(nèi)部保護二極管過熱，并且可能破壞線路上的任何數(shù)據(jù)。

這個圖與前面2個完全不一樣，電容顯著減慢了事件的上升時間

將電容換成10nF，進一步降低了峰值電壓，但是事件發(fā)生的事件也被延長了。

一個 10nF 的電容進一步降低了峰值電壓

串聯(lián)電阻也是這樣，電容越大，提供的保護越多，但是有個例外，具有低ESR的大陶瓷電容會導致振鈴。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，因為電容會使總線負載過大。

4、TVS二極管

接下來是TVS二極管，是ESD保護電路最常用的方法之一，作用與齊納二極管基本相同，傳導速度更快，浪涌額定值更高（有時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)：正常工作條件下應施加的最大反向電壓。

• 擊穿電壓 (VBR)：二極管剛開始導通時的電壓。

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

• 動態(tài)電阻 (RDYN)：二極管完全導通時的估計電阻。

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

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

TVS的電流等級

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TVS二級管的一種簡單方法是在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 220R 電阻。

在 TVS 二極管的 ESD 側(cè)放置了一個 220R 電阻

在 TVS 二極管的 ESD 側(cè)放置了一個 220R 電阻。

模擬

下圖顯示通過 TVS 二極管的電流減少了近 50%。當峰值電流/電壓降低時，事件的長度增加。

通過 TVS 二極管的電流減少了近 50%

電阻還會影響 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

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

兩個肖特基二極管 D18 和 D19，分別偏置到地和正電壓軌。

兩個肖特基二極管 D18 和 D19，分別偏置到地和正電壓軌

兩個肖特基二極管 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，這并不是一個很好的保護方案。

用 100R 電源時，雙 TVS 二極管基本上不提供保護

這里需要注意的另一個問題是肖特基的反向額定電壓，如果超過就會損壞二極管。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。

三、使用什么ESD保護電路

這里主要是3個：

1、高速（USB/以太網(wǎng)/HDMI/等）

此類的信號比較容易設(shè)計保護，因為對于每個信號在降級發(fā)生之前可以具有的最大總線電容有非常詳細的規(guī)范。

通常我會使用專為信號類型設(shè)計的TVS二極管，然后看串聯(lián)是不是能接受，一般取值會大一點。

2、慢速接口，一般保護

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)鍵是不會受到惡劣環(huán)境的影響。

對于這些，通常會使用TVS+大串聯(lián)電阻，根據(jù)應用，可能會使用雙肖特基方法，因為用這個還可以提供過流和短路保護。

3、慢接口，高防護

與上面的非常相似，除了針對工業(yè)應用，或者故障是不可接受的情況，這樣的話，會在信號中添加一個額外電容，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！