探索ESD防護器件的原理及選用

ID:807588 · 發表于 2020-9-18 17:11

1、什么是ESD防護器件?

ESD為Electro-Static discharge （靜電釋放）的簡稱，故ESD防護器件也可稱之為靜電防護器件，旨在于吸收瞬間發生在電路上的低能量高電壓脈沖，以免電子產品受到靜電放電的傷害，較瞬態電壓抑制器（TVS）不同，瞬態電壓抑制器（TVS）主要是抑制瞬態中低電壓大能量脈沖。

市面上常見的ESD防護器件有半導體ESD防護器件、壓敏電阻、聚合物等三種，這三種ESD防護器件各有千秋，相較而言，半導體ESD防護器件在響應速度、殘壓方面更具優勢，更多元化工作電壓，成本也趨近壓敏電阻和聚合物ESD防護器件，因而越來越受電子產品設計者青睞。

半導體ESD防護器件由單個或多個二極管組成單或雙向ESD防護二極管或ESD防護陣列，以實現單通道或多通道線路防護，半導體ESD防護器件具備響應速度快（小于1ns）、超低電容、低殘壓、多工作電壓段、小微體積等，是電子產品高頻數據傳輸線上最為理想的防護器件。

2、為什么要采用ESD防護器件?

1）電子產品的信號線和接口被設計在某一特定電壓范圍內，電子系統在這特定電壓范圍內工作是安全的。當電壓高出這個特定電壓范圍時，電子系統則易受干擾或甚至會因為暴露在強瞬變環境中而受損。

大電流浪涌源自于外部的浪涌事件，例如：充電器、電線；或源自于內部的浪涌事件，例如：開關轉換、負載變更。因此，并聯上分立保護器件將這些浪涌迅速地引向地線是非常必要的。

2）隨著集成電路內單位幾何加工尺寸（線寬）的持續縮小，集成程度不斷提高，一片手機的主芯片可集成高達幾十億甚至上百億個晶體管，加工尺寸越小的集成電路越對ESD敏感，越容易受到ESD損害，再加上高集成度電子產品日益增長的需求，ESD防護已成為電子系統的基本需求。

3）ESD問題隱藏且偶發于電子系統的內外部，其會增加電子系統現場故障的風險，縮短系統壽命，引發其它質量相關的問題，帶來昂貴的售后成本；因此，為電子系統添加全面的ESD保護不僅僅是個智能工程，它還是一種低成本、簡單的方法，可以防止電子產品生命周期中出現以上問題。

3、如何選用ESD防護器件?

1）ESD防護器件使用時是并聯在被保護電路上，正常情況下對線路的工作不應產生任何的影響。

2）擊穿電壓 VBR 的選擇：ESD防護器件的擊穿電壓應大于線路最高工作電壓或者信號電平的最大電壓值。

3）脈沖峰值電流 IPP 和最大箝位電壓 VC 的選擇：ESD防護器件使用時，要根據線路上可能出現的最大浪涌電流來選擇 IPP 合適的型號。要注意的是，此時的最大箝位電壓 VC 應不大于被保護芯片所能耐受的最大峰值電壓。

4）用于信號傳輸電路保護時，一定要注意所傳輸信號的頻率或傳輸速率，當信號頻率或傳輸速率較高時，應選用低電容系列的ESD防護器件。

5）對于空間有限的應用場景，則要盡量采用陣列式的ESD防護器件，這樣才可以以最少的組件數來縮小PCB的空間及降低PCB的寄生阻抗。

6）對于高速信號傳輸線，ESD防護器件的線路電容要夠低，如USB2.0需要用小于3pF，USB3.0需要用小于0.3pF，10/100M LAN需要用小于3pF的ESD保護元件。

7）ESD保護元件的箝制電壓必須要夠低，才能使系統在ESD發生時還能不受干擾地運作，至于要多低的箝制電壓才夠，則要看系統的噪聲免疫能力而定。

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