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ESD器件的使用

2021-10-15     loonlog     175     4

本文目录

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。

ESD-VI-LOONLOG.png

VRWM,VBR,Vc,Ipp,Cd 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VRWM----Working Peak Reverse Voltage ;

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

VRWM  表示在规定的 I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 VBR----Breakdown Voltage @ IT 

TVS 管通过规定的测试电流It 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 @Ipp  

Vc 箝位电压(钳位电压)指在特定的Ipp 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 ;

PPP 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%Ipp,20us 达到50%Ipp),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。


Vc、Ipp 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Ipp 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VRWM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;

  • VBR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Vc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( PM )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
12KV2KV
24KV4KV
36KV8KV
48KV15KV

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!


电子电路 , 电路

ESD器件的使用
http://loonlog.com/2021/10/15/about-esd/
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发表评论(关于评论)

评论列表,共 4 条评论

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    1楼

    原来干smt 还懂一点吗  现在全部忘光了。

    菜鸟之志 叶开楗 ,

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    你改名字了laugh

    叶开楗 菜鸟之志 ,

    回复

    只是改回以前的名字了 哈哈。

    菜鸟之志 叶开楗 ,

    回复

    好吧,我认识你之前!