ESD介绍

ESD是Electro-Static discharge的缩写，即“静电释放”；ESD静电保护元件，又称静电抑制二极管。ESD是多个TVS晶粒或二极管采用不同的布局做成具有特定功能的多路或单路ESD保护器件，主要应用于各类通信接口静电保护，如USB、HDMI、RS485、RS232、VGA、RJ11、RJ45、BNC、SIM、SD等。

ESD的工作原理：

将ESD静电保护二极管并联于电路中，当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态），不影响线路正常工作，当电路出现异常过压并达到其击穿电压时，它迅速由高阻态变为低阻态，给瞬间电流提供低阻抗导通路径，同时把异常高压箝制在一个安全水平之内，从而保护被保护IC或线路；当异常过压消失，其恢复至高阻态，电路正常工作。

说到底，用ESD还是为了防护静电，过压，浪涌，等，常见的保护器件有：

• TVS二极管

• ESD二极管

• 气体放电管

• 压敏电阻

• TSS二极管

ESD和TVS的区别

一般的电路中使用最多的还是ESD和TVS，那二者有啥不同和应用：

• ESD：静电放电管，主要用在关键引脚上起到静电保护作用，释放公共端引脚上的静电；

• TVS：瞬态抑制二极管，具有很快的响应能力和强大的浪涌吸收能力，主要作用于电源输入端的防浪涌保护，瞬间吸收浪涌电流对后级电路起到保护作用。

有的厂家把ESD器件和压敏电阻归为一类，多年前所用到的TVS都是个头较大的器件，现在各种超小型TVS也做ESD使用和称呼，关于ESD很权威的说法，本人也不熟悉！仅参考网络信息，总的来说，可以分为ESD静电二极管、ESD静电保护器、ESD保护二极管等，但是我认为他们所关注的参数都是一致的。

钳位，还是嵌位，还是箝位，搞不清楚！

ESD需要关注的参数

我们平常选用ESD器件的时候，总是希望具有快速响应时间、低箝位电压、高电流浪涌承受能力，那世无完物，还是看看具体参数怎么影响使用吧。

V_RWM，V_BR，V_c，I_pp，C_d 是ESD/TVS 器件选型的重要参数。

1）最大反向工作电压和反向漏电流

最大反向工作电压V_RWM----Working Peak Reverse Voltage ；

最大反向漏电流I_r----Maximum Reverse Leakage Current @ VRWM ，一般定义为10nA；

V_RWM  表示在规定的 I_r 下，TVS 器件两端的电压值，也即是最大反向工作电压。通常Vrwm=（0.8~0.9）Vbr。

这个电压是允许长期连续施加在ESD保护器件两端的电压(有效值)，在此工作状态下ESD器件不导通，保持高阻状态，反向漏电流很小。使用时，应使Vrwm 不低于被保护器件或线路的正常工作电压。

一般Vrwm 会低于85%Vc 而高于正常工作电压，以便TVS 接入电路而不影响正常电路工作。

一般地，TVS管的反向漏电流是nA级，压敏电阻漏电流是μA级，此电流越小，对保护电路影响越小。

2）反向击穿电压 

反向击穿电压 V_BR----Breakdown Voltage @ I_T 

TVS 管通过规定的测试电流I_t 时的电压，这是表示TVS 管导通的标志电压，可以理解为动作（导通）电压；即从此点开始器件进入雪崩击穿，二极管反向导通，将电流分流到地，保护电路；一般地，TVS管动作电压比压敏电阻低、气体放电管击穿电压较高。

3）最大箝位电压/钳位电压

最大箝位电压/钳位电压Vc----Clamping voltage @I_pp  ；

Vc 箝位电压（钳位电压）指在特定的I_pp 峰值电流时，脉冲电压通过ESD 保护器件后所被箝位（钳位）的电压，超过此电压，可能造成ESD永久性损伤。

• 对于了解钳位电压，最好的办法是观测ESD的传输线性脉冲曲线，或者简称为TLP曲线。TLP曲线提供了二极管电压与电流的关系，可以通过给定的输入电流推算出钳位电压。

• TLP曲线的斜率对于理解二极管保护的好坏很重要。更高的斜率代表它在对应电流时有更低的钳位电压，根据欧姆定律这条曲线的斜率为动态电阻 1/Rdul ，所以，当你关注钳位电压时选择动态电阻更小的ESD保护二极管，就代表它拥有更小的钳位电压，提供更好的保护。

4）最大峰值脉冲功率

最大峰值脉冲功率Ppp----Maximum Peak Pulse Power ；

P_PP 峰值脉冲功率为ESD 器件上瞬间通过的最大功率值。如图所示，NUP2105的峰值功率为，是指8/20us 脉冲波（8us 达到100%I_pp，20us 达到50%I_pp），保护器件能够承受的最大功率为350w。

5) 结电容

结电容Cj ----Junction Capacitance；

主要是指TVS 连接GND 和I/O 时，具有的电容值。Cd 为ESD/TVS 器件的引脚寄生电容，ESD会具有干扰信号完整性的寄生电容，如果二极管的寄生电容过高，则可能增加信号通过的上升和下降时间 这会对信号完整性造成伤害,通信速率越高，线路上使用的ESD 保护 器件的结电容要越低，否则将破坏数据信号。

一般地，ESD可以做到0.几个pF，TVS管的结电容pF级，压敏电阻的寄生电容nF级。

电容选取建议：

接口	ESD电容建议值
GPIO	＜30pF
Pushbutton	＜30pF
Audio	＜10pF
USB 2.0	＜2.5pF
USB 3.0	＜0.5pF
USB 3.1 Gen 2	＜0.3pF
HDMI 1.4	＜0.7pF
HDMI 2.0	＜0.5pF
Ethernet	＜5pF
Antenna	＜0.2pF
4-20mA Loop	＜80pF

6）响应时间(Response Time)

指ESD器件对输入的大电压钳制到预定电压的时间。一般地，TVS管的响应时间是ns级，压敏电阻是μs级，气体放电管比压敏电阻要慢。此时间越小，更能有效的保护电路中元器件。

7) 单向保护和双向保护

双向二极管通常有正负对称的I-V曲线，工作电压和击穿电压，正因为如此，双向二极管可以支持在它正负工作电压范围内的正负信号；另一方面单向ESD一旦出现负压则会被击穿所以对于单向ESD而言，它仅能支持正向的0至工作电压区间的信号，不过单向ESD反向钳位的电压更小，可以提供更好的负压保护。总结而言，双向和单向ESD都可以提供正负ESD电压保护，但是双向ESD由于具有对称的正负击穿电压，可以通过正负信号，而单向ESD只可以通过正向信号，适用的接口比如USB HDMI以及一些其他的数字接口，不过相比双向而言单向ESD对于负压的保护更好。

V_c、I_pp 反映了TVS 器件的浪涌抑制能力。当TVS 承受额定的瞬时峰值脉冲电流I_pp 时，可能在器件上的瞬时最大电压值即最大箝位电压为Vc。此时，如果脉冲时间为规定的标准值，则TVS 的最大峰值脉冲功率为：PM=Vc*Ipp。因此在选用TVS 前，最好对线路中产生的脉冲类型有大致的了解，是单脉冲，还是复脉冲，脉冲的上升时间，脉宽，峰值等，以便确定Vc，Ipp，PM。

ESD选型

ESD选型原则

• 截至电压V_RWM应高于或者等于电路的正常工作电压，确保ESD的接入不会影响到正常的工作；

• V_BR不能小于电路的最大允许工作电压，否则TVS进入雪崩，漏电流增大，影响带你路正常工作；

• 最大箝位电压V_c必须小于电路的最大允许安全电压。即在箝位电压下，不会损坏电路中的任何元器件。

• 最大峰值脉冲功率（ P_M ）必须大于电路内部或外部可能出现的峰值脉冲功率，可能需要实地考察。

ESD选型步骤

• 计算接口信号幅值的范围来确定ESD器件的工作电压；

• 根据信号类型决定使用单向或者双向ESD器件;

• 根据信号速率决定该接口能承受的最大寄生电容；

• 根据电路系统的最大承受电压冲击，选择适合的钳位电压；

• 确保ESD器件可达到或超过IEC 61000-4-2 level4。

ESD静电标准

一些芯片在制造时考虑了ESD的保护，在数据手册中应当有所提及。

一般ESD有三种类型：

第一个是人体模型，简称HBM，它模拟了在工厂环境中携带静电的人体触摸接地设备的过程；值得一提的是HBM标准是为了衡量芯片，能否在生产、组装和运输的过程中免受ESD的损害，并非适用于日常使用的场景；

第二个是带电装置模型，简称CDM，它模拟了一个带静电的器件接触电路的情景，CDM会在小于20ns的时间内有一个非常高的电流脉冲，和HBM相似CDM也是为了衡量芯片生产、制造过程中可能会遇到的ESD而设计的，并非适用于日常使用场景。

第三个是IEC 61000-4-2模型，这是一个为日常使用设计的标准，它可以帮助我们衡量芯片确保是否能在日常可能接触到的ESD中，免受损坏，它用了更高的电流脉冲 并且持续的时间也更长。

IEC 61000-4-2等级	接触放电电压	空气放电电压
1	2KV	2KV
2	4KV	4KV
3	6KV	8KV
4	8KV	15KV

当我们在datasheet中提到这颗ESD，可以达到8000V接触放电和15kV空气放电时，我们针对的是这颗ESD本身可以承受8000V和15kV的ESD冲击,并不代表系统电路同样可以承受。

本文在实际使用中结合网络信息汇总而来，不足之处在所难免，非常渴望得到专业人士指点，谢谢！