說到半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性，肯定逃不開一個(gè)話題，那就是ESD和浪涌。不管是哪種應(yīng)用場(chǎng)合，下到消費(fèi)電子，上至汽車電子，器件在高速的電量傳輸過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生潛在的破壞性電壓、電流。一旦風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，電路會(huì)在瞬間被燒毀。

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，絕大多數(shù)電子元件在數(shù)百伏的電壓下就會(huì)損壞，有的器件甚至不需要上百伏，在幾十伏時(shí)就會(huì)損壞。往往我們會(huì)需要高效能的保護(hù)元器件來保護(hù)電路，當(dāng)兩極受到反向瞬態(tài)高能量時(shí)候能夠吸收浪涌，對(duì)后級(jí)電路形成有效的保護(hù)。

ESD二極管對(duì)電路的保護(hù)

電路中不存在ESD保護(hù)的話，通過接口連接產(chǎn)生的高壓ESD沖擊會(huì)導(dǎo)致大電流峰值直接流入集成電路，造成損壞。為了保護(hù)敏感電路免受電氣過應(yīng)力故障，ESD保護(hù)二極管會(huì)連接到接口連接器和集成電路之間的每個(gè)信號(hào)線。

在靜電危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，ESD二極管被擊穿并產(chǎn)生一個(gè)低阻抗路徑，該路徑通過將電流轉(zhuǎn)移到地面來限制電路的峰值電壓和電流，從而保護(hù)整個(gè)集成電路。接地這種辦法是防靜電措施中最基本最直接最有效的，即便用這種最基本的辦法產(chǎn)生低阻抗路徑，電路峰值電壓也會(huì)與之前相差非常大，有數(shù)量級(jí)上的差別。

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（ESD保護(hù)二極管，TOSHIBA）

ESD防護(hù)會(huì)有幾個(gè)方面需要注意，首先自然是工作電壓上的。接口的信號(hào)電壓不應(yīng)超過ESD設(shè)備在負(fù)方向或正方向上的工作電壓，以防止不必要的擊穿。電容也是需要重點(diǎn)關(guān)注的，由于ESD二極管與信號(hào)軌跡并行連接，因此它們給系統(tǒng)增加了一些寄生電容。ESD器件的電容在高速接口中特別重要，電容必須盡可能做得很小，否則信號(hào)的完整性會(huì)受到干擾，原本的防護(hù)也變成了累贅。

通過IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)意味著ESD設(shè)備有更高的魯棒性，IEC 61000-4-2額定值越高，ESD設(shè)備所能承受的電壓就越高。而ESD設(shè)備可以有多種通道和配置，根據(jù)接口的不同，多通道設(shè)備可以比單通道設(shè)備節(jié)省更多的板空間，單通道設(shè)備則比多通道解決方案能提供更多的設(shè)計(jì)靈活性。

ESD防護(hù)的應(yīng)用

拿工業(yè)場(chǎng)景中常見的4-20mA信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為例，該標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)應(yīng)用中最流行的傳感器信號(hào)傳輸接口之一。PLC為系統(tǒng)提供電壓源，傳感器使用該電壓源以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)路的優(yōu)點(diǎn)是傳輸數(shù)據(jù)幾乎沒有信號(hào)丟失。但是，4-20mA使用的電纜往往會(huì)很長(zhǎng)，并且現(xiàn)在還有向更長(zhǎng)的電纜發(fā)展的趨勢(shì)，這意味著ESD和浪涌脈沖很容易耦合到電纜上損壞系統(tǒng)。

我們可以看到，4-20-mA使用的連接器、防護(hù)器件都會(huì)對(duì)靜電防護(hù)有較高的要求，盡可能減少風(fēng)險(xiǎn)耦合到電纜上，符合IEC 61000-4-2和IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別的ESD二極管是必需的。將ESD二極管放置在發(fā)射機(jī)、電源和接收器前，來保護(hù)設(shè)備免受耦合到4-20mA電纜上的浪涌或靜電沖擊。

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（4-20mA環(huán)路電路保護(hù)，TI）

由于大多數(shù)4-20-mA電壓源都是24V，所以在這種環(huán)路中配置的ESD二極管往往是一個(gè)工作電壓略高的二極管。另外，受限于PLC、I/O模塊以及現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射器的空間，保護(hù)二極管尺寸需要越小越好。

低動(dòng)態(tài)電阻和低鉗位電壓在這種工業(yè)系統(tǒng)的ESD防護(hù)器件里是很重要的指標(biāo)。因?yàn)镮EC 61000-4-2等級(jí)僅僅說明了ESD二極管本身可以承受多少電壓，這個(gè)額定值并不代表二極管下游的電路是否能受到保護(hù)。ESD二極管的鉗位電壓才決定下游IC是否會(huì)受到保護(hù)。肯定是希望鉗位電壓越低越好，這樣下游電路才能盡可能少地暴露在擊穿環(huán)境下。

上面也提到了，電容肯定是不可忽視的。整個(gè)環(huán)路會(huì)有一個(gè)電容預(yù)算，雖然根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同最大的ESD電容值會(huì)有些差異，流行的高速接口也都會(huì)有一些電容范圍，比如GPIO需要＜30pF的電容，HDMI需要＜0.5pF的電容，以太網(wǎng)一般在4pF以下等等。工業(yè)通信場(chǎng)景中一般電容在3pF左右較為合適。

小結(jié)

對(duì)于ESD防護(hù)來說，并不是保護(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，鉗位電壓很差意味著電路將會(huì)對(duì)瞬態(tài)電壓更敏感。在端口和接口進(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路可靠性非常重要的一環(huán)。從另一個(gè)角度來說，ESD保護(hù)在提供足夠的防護(hù)之外對(duì)工業(yè)系統(tǒng)的信號(hào)完整性也有著不小的作用。