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ESD 基础知识，ESD 电容和反向工作电压、击穿电压和极性配置

时间：2021-11-24 15:17:18

关键字： ESD知识 ESD方案

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[导读]静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）:是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。当带了静电荷的物体（也就是静电源）跟其它物体接触时，这两个具有不同静电电位的物体依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。这个电量在传送过程中，将产生具有潜在破坏作用的电压、电流以及电磁场，严重时会将物体击毁。

1、前言

静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）:是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。当带了静电荷的物体（也就是静电源）跟其它物体接触时，这两个具有不同静电电位的物体依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。这个电量在传送过程中，将产生具有潜在破坏作用的电压、电流以及电磁场，严重时会将物体击毁。

2、ESD 电容

尽管 ESD 二极管的主要目标是在 ESD 事件期间保护系统，但它在正常操作期间还有另一个同样重要的目的：绝对什么都不做。虽然“什么都不做”似乎是一项简单的任务，但 ESD 二极管的存在会增加系统的寄生电容。在 ESD 事件期间，二极管会击穿并将破坏性电流引向接地。当二极管导通时，可以将其建模为与动态电阻(R DYN )串联的偏移电压 V BR（击穿电压）。在正常工作期间，当数据（或电源）通过走线传输时，二极管反向偏置。结果，二极管的耗尽区存储电荷，有效地成为电容值为 C 的电容器L（图 1）。

图 1：在 ESD 事件期间，ESD 二极管在电压 V BR下击穿，电阻为 R DYN（左）；在正常操作期间，信号传递到系统，ESD 二极管充当电容值为 C L的电容器（右）

如果您没有正确考虑 C L，二极管将降低通过的数据的信号完整性。对于USB 3.0、USB 3.1和HDMI 2.0等高速信号，需要通过眼图模板测试才能符合接口标准。然而，增加走线电容会增加信号上升和下降时间并“关闭”眼图。这可能会导致整个系统不合规（图 2）。

图 2：符合 USB 3.1 Gen 2 标准的眼图（顶部）；由高电容引起的不合规的 USB 3.1 Gen 2 眼图（底部）

设计人员通常有一个电容预算，以确保整个系统保持合规性——没有适用于每个设计的全面最大 ESD 电容要求。例如，如果系统 A 的走线比系统 B 的走线短，则系统 A 将有更多的剩余电容分配给 ESD 保护。因此，系统A的ESD二极管可以具有更高的电容并且仍然符合标准。

3、反向工作电压、击穿电压和极性配置

一旦电压超过某个阈值，ESD二极管就会击穿并呈现低阻抗路径，将电流导向地。然而，在正常操作期间，ESD 二极管应该完全“关闭”并且不会干扰通过迹线的信号或电源。这个正常工作电压范围被称为反向隔离电压或反向工作电压（V RWM）。V RWM定义为流过二极管的电流不超过特定安培数时的最大正负电压。对于 TI 的多个最新 ESD 二极管，此电流强度指定为 10nA。一旦电压超过 V RWM，它就会接近击穿电压 (V BR)，定义为通过二极管的电流超过 1mA 时的电压（图 1）。

图 1：具有 V RWM和 V BR的 ESD 二极管的对数 IV 曲线

选择具有 V RWM的 ESD 二极管至关重要，该二极管涵盖接口的整个电压范围，以最大限度地减少正常操作期间的漏电流。这样做时，重要的是要注意二极管的极性配置。ESD 二极管有两种配置，如表 1 所列。

表 1：极性配置比较

图 2：单向 ESD 二极管（左）和双向 ESD 二极管（右）的 IV 曲线

在此 ESD 基础知识系列中涵盖了相当多的内容后，让我们利用您所学到的一切来选择合适的 ESD 二极管来保护在 19V 传输线脉冲 (TLP) 下发生故障的 USB 2.0 系统（这里有关于 TLP 和钳位电压的复习）。

· USB 2.0 差分信号的电压范围约为 0V（逻辑低）至 3.6V（逻辑高），因此您需要确保二极管的 V RWM包含此范围。

· USB 2.0 带宽最高可达 480Mbps，因此您要选择具有适当电容的二极管以保持信号完整性。

· 需要满足 IEC 61000-4-2 4 级合规性，因此 ESD 二极管的额定值必须至少为 8kV 接触放电和 15kV 气隙放电。

· ESD 二极管在 16A TLP 时的钳位电压必须小于 19V，因为系统会在 19V 时失效。

TPD1E04U04 是一个很好的解决方案，因为它满足所有这些要求：

· 它是一个单向 ESD 二极管，其 VRWM 为 0 至 3.6V。

· 它具有 0.5pF 的低电容。