1.前言

如果我們看到閃電或被門把手不快地電擊，那么我們就已經(jīng)暴露在稱為靜電放電 (ESD) 的現(xiàn)象中。ESD 是兩個(gè)靠近的帶電物體之間的突然電流流動(dòng)。接觸的物體有時(shí)會(huì)導(dǎo)致直接從一個(gè)物體放電到另一個(gè)物體。其他時(shí)候，物體之間的電勢可能非常大，以至于它們之間的電介質(zhì)（通常是空氣）會(huì)破裂——電流甚至不需要接觸（圖 1）。

圖 1：兩個(gè)帶電物體之間的電子傳輸導(dǎo)致 ESD

這些沖擊一直在發(fā)生，但人類無法感受到其中的大部分，因?yàn)闆_擊電壓太低而無法察覺。大多數(shù)人實(shí)際上直到放電超過 2,000-3,000V 才開始感到震驚！雖然 1-10kV 范圍內(nèi)的 ESD 通常對(duì)人體無害，但它可能會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體和集成電路 (IC) 發(fā)生災(zāi)難性的電氣過載故障。

ESD 抑制器或二極管并聯(lián)放置在 ESD 源（通常是與外部世界的接口連接器）和組件（圖 2）之間，可以保護(hù)系統(tǒng)電路免受電氣過載故障的影響。

圖 2：ESD 沖擊會(huì)損壞沒有 ESD 保護(hù)的 IC（左）；ESD 保護(hù)將分流電流以保護(hù)下游 IC（右）

如果沒有 ESD 保護(hù)，ESD 沖擊產(chǎn)生的所有電流都會(huì)直接流入系統(tǒng)電路并損壞組件。但如果存在 ESD 保護(hù)二極管，高壓 ESD 沖擊將導(dǎo)致二極管擊穿并提供低阻抗路徑將電流重定向到地，從而保護(hù)下游電路。

許多電路元件包括設(shè)備級(jí) ESD 保護(hù)，這導(dǎo)致一些人質(zhì)疑是否需要外部 ESD 保護(hù)元件。然而，設(shè)備級(jí) ESD 保護(hù)遠(yuǎn)不足以承受放電到實(shí)際終端設(shè)備上的 ESD 沖擊。隨著工藝創(chuàng)新導(dǎo)致芯片組尺寸減小，它們對(duì) ESD 損壞的敏感性實(shí)際上增加了，這使得分立 ESD 保護(hù)成為每個(gè)電路設(shè)計(jì)人員的必需品。

2. 選擇 ESD 保護(hù)二極管考量

大多數(shù)電路組件確實(shí)提供了某種符合充電設(shè)備模型 (CDM) 或人體模型 (HBM) 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備級(jí) ESD 保護(hù)。如果我們查看圖 1 中顯示的數(shù)據(jù)表規(guī)格，很容易假設(shè)該組件足夠堅(jiān)固以承受 ESD 沖擊。完美的！完畢！不需要分立的 ESD 保護(hù)，對(duì)吧？

圖 1：具有 HBM 和 CDM ESD 額定值的示例數(shù)據(jù)表

嗯……沒那么快。CDM 模擬集成電路 (IC) 充電和放電，而 HBM 模擬人在受控 ESD 環(huán)境中對(duì) IC 放電。這些標(biāo)準(zhǔn)有助于確保組件能夠在有協(xié)議以盡量減少 ESD 暴露的工廠中制造和組裝。但是，它們并不能準(zhǔn)確表示組件在最終用戶場景中的體驗(yàn)。我不了解你，但我早上使用烤面包機(jī)時(shí)沒有戴 ESD 腕帶。

為了準(zhǔn)確模擬真實(shí)用戶場景中的 ESD 沖擊，國際電工委員會(huì) (IEC) 創(chuàng)建了一個(gè)更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，稱為 IEC 61000-4-2。正如我們在圖 2 中看到的，與 CDM 和 HBM 脈沖相比，該 IEC 脈沖具有更快的上升時(shí)間、更長的持續(xù)時(shí)間、更高的峰值脈沖電流和更多的能量。

圖 2：不同 ESD 模型的比較

IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)包括兩種不同的 ESD 額定值，我們通?？梢栽跀?shù)據(jù)表中找到這些額定值：接觸電壓放電（ESD 直接放電到器件上）和氣隙電壓放電（ESD 通過間隙放電到器件上空氣）。IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了四個(gè)等級(jí)的電壓額定值，其中第 4 級(jí)是最高的（表 1）。

表 1：IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，4 級(jí) IEC ESD 保護(hù)（8kV 接觸/15kV 氣隙）就足夠了。然而，ESD 沖擊預(yù)計(jì)具有更強(qiáng)電壓或可能更頻繁發(fā)生的應(yīng)用或環(huán)境需要更高的接觸電壓和氣隙電壓額定值（表 2）。例如，TI 的TPD1E1B04 的 IEC 61000-4-2 額定值為 30kV/30kV。

表 2：ESD 生成的典型示例（來源：Phil Storrs PC Hardware） 

如果設(shè)備僅針對(duì) HBM 和 CDM ESD 進(jìn)行評(píng)級(jí)，則它很可能沒有足夠的穩(wěn)健性來在實(shí)際場景中繼續(xù)正常運(yùn)行。因此，在選擇 ESD 保護(hù)二極管來保護(hù)這些設(shè)備時(shí)，選擇具有足夠 IEC 61000-4-2 額定值的二極管至關(guān)重要，以確保二極管本身能夠經(jīng)受住反復(fù)暴露于 ESD 的考驗(yàn)。

3. 二極管鉗位電壓選擇

在發(fā)生 ESD 故障后，我經(jīng)常從電路設(shè)計(jì)人員那里聽到的一條評(píng)論是：“我使用了 ESD 保護(hù)二極管，其額定值為 30kV 接觸和 30kV 氣隙 IEC 61000-4-2 ESD。為什么我的系統(tǒng)仍然失敗？30kV/30kV 額定值遠(yuǎn)高于推薦的 8kV/15kV 額定值！”

雖然 IEC 61000-4-2 等級(jí)很重要，但它并不是我們在選擇 ESD 二極管時(shí)需要考慮的唯一因素。IEC 61000-4-2 等級(jí)僅告訴我們 ESD 二極管本身可以承受多少電壓。該額定值并未說明下游電路是否會(huì)受到保護(hù)。要理解這一點(diǎn)，我們需要查看二極管的鉗位電壓。

與電路并聯(lián)放置的保護(hù)二極管可保護(hù)該電路免受 ESD 的影響。當(dāng)發(fā)生 ESD 沖擊時(shí)，二極管會(huì)迅速擊穿并將“所有”ESD 電流引導(dǎo)至地，從而保護(hù)下游電路。我將“全部”放在括號(hào)中，因?yàn)樗?ESD 電流流經(jīng) ESD 二極管的唯一方式是二極管的阻抗為零。在現(xiàn)實(shí)世界中，所有 ESD 二極管都有一些小的電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻 (R DYN )。R DYN將導(dǎo)致導(dǎo)通二極管兩端的電壓降；由于受保護(hù)集成電路 (IC) 是并聯(lián)的，因此我們會(huì)看到受保護(hù) IC 兩端的壓降相同（圖 1）。該電壓降稱為鉗位電壓。

圖 1：ESD 二極管的鉗位電壓

ESD 二極管的鉗位電壓將最終決定下游 IC 是否會(huì)受到 ESD 沖擊保護(hù)。盡管它是最重要的規(guī)格之一，但它也可能是數(shù)據(jù)表中最難找到的規(guī)格。確定二極管在受到 IEC ESD 沖擊時(shí)的真實(shí)鉗位電壓的最簡單方法是查看傳輸線脈沖 (TLP) 響應(yīng)曲線。圖 2 是 ESD122 TLP 響應(yīng)曲線的示例，它顯示了器件的電流和電壓之間的關(guān)系。如我們所見，當(dāng)流經(jīng)器件的電流增加時(shí)，器件兩端的電壓幾乎以線性速率增加。

圖 2：ESD122 的 TLP 響應(yīng)曲線

TLP 很有用，因?yàn)樗哂信c IEC 61000-4-2 ESD 沖擊相似的特性。因此，我們可以將 TLP 電流與 IEC ESD 相關(guān)聯(lián)：

· 2kV IEC 沖擊 = 4A TLP。

· 4kV IEC 沖擊 = 8A TLP。

· 6kV IEC 沖擊 = 12A TLP。

· 8kV IEC 沖擊 = 16A TLP。

有了這些信息，我們可以從圖 2 中的 TLP 響應(yīng)曲線推斷，在 8kV IEC 61000-4-2 ESD 沖擊期間，ESD122 的鉗位電壓約為 13.5V。換句話說，當(dāng)發(fā)生 8kV IEC 沖擊時(shí)，我們可以預(yù)期下游電路將暴露在 13.5V 下大約 100ns。

一般而言，鉗位電壓越低，保護(hù)性能越好，因此下次選擇ESD二極管時(shí)，請(qǐng)查看TLP曲線。