ESD 基础知识，什么是ESD,如何进行ESD防护

1.前言

如果我们看到闪电或被门把手不快地电击，那么我们就已经暴露在称为静电放电 (ESD) 的现象中。ESD 是两个靠近的带电物体之间的突然电流流动。接触的物体有时会导致直接从一个物体放电到另一个物体。其他时候，物体之间的电势可能非常大，以至于它们之间的电介质（通常是空气）会破裂——电流甚至不需要接触（图 1）。

图 1：两个带电物体之间的电子传输导致 ESD

这些冲击一直在发生，但人类无法感受到其中的大部分，因为冲击电压太低而无法察觉。大多数人实际上直到放电超过 2,000-3,000V 才开始感到震惊！虽然 1-10kV 范围内的 ESD 通常对人体无害，但它可能会导致半导体和集成电路 (IC) 发生灾难性的电气过载故障。

ESD 抑制器或二极管并联放置在 ESD 源（通常是与外部世界的接口连接器）和组件（图 2）之间，可以保护系统电路免受电气过载故障的影响。

图 2：ESD 冲击会损坏没有 ESD 保护的 IC（左）；ESD 保护将分流电流以保护下游 IC（右）

如果没有 ESD 保护，ESD 冲击产生的所有电流都会直接流入系统电路并损坏组件。但如果存在 ESD 保护二极管，高压 ESD 冲击将导致二极管击穿并提供低阻抗路径将电流重定向到地，从而保护下游电路。

许多电路元件包括设备级 ESD 保护，这导致一些人质疑是否需要外部 ESD 保护元件。然而，设备级 ESD 保护远不足以承受放电到实际终端设备上的 ESD 冲击。随着工艺创新导致芯片组尺寸减小，它们对 ESD 损坏的敏感性实际上增加了，这使得分立 ESD 保护成为每个电路设计人员的必需品。

2. 选择 ESD 保护二极管考量

大多数电路组件确实提供了某种符合充电设备模型 (CDM) 或人体模型 (HBM) 标准的设备级 ESD 保护。如果我们查看图 1 中显示的数据表规格，很容易假设该组件足够坚固以承受 ESD 冲击。完美的！完毕！不需要分立的 ESD 保护，对吧？

图 1：具有 HBM 和 CDM ESD 额定值的示例数据表

嗯……没那么快。CDM 模拟集成电路 (IC) 充电和放电，而 HBM 模拟人在受控 ESD 环境中对 IC 放电。这些标准有助于确保组件能够在有协议以尽量减少 ESD 暴露的工厂中制造和组装。但是，它们并不能准确表示组件在最终用户场景中的体验。我不了解你，但我早上使用烤面包机时没有戴 ESD 腕带。

为了准确模拟真实用户场景中的 ESD 冲击，国际电工委员会 (IEC) 创建了一个更严格的标准，称为 IEC 61000-4-2。正如我们在图 2 中看到的，与 CDM 和 HBM 脉冲相比，该 IEC 脉冲具有更快的上升时间、更长的持续时间、更高的峰值脉冲电流和更多的能量。

图 2：不同 ESD 模型的比较

IEC 61000-4-2 标准包括两种不同的 ESD 额定值，我们通常可以在数据表中找到这些额定值：接触电压放电（ESD 直接放电到器件上）和气隙电压放电（ESD 通过间隙放电到器件上空气）。IEC 61000-4-2 标准规定了四个等级的电压额定值，其中第 4 级是最高的（表 1）。

表 1：IEC 61000-4-2 标准级别

对于大多数应用，4 级 IEC ESD 保护（8kV 接触/15kV 气隙）就足够了。然而，ESD 冲击预计具有更强电压或可能更频繁发生的应用或环境需要更高的接触电压和气隙电压额定值（表 2）。例如，TI 的TPD1E1B04 的 IEC 61000-4-2 额定值为 30kV/30kV。

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

如果设备仅针对 HBM 和 CDM ESD 进行评级，则它很可能没有足够的稳健性来在实际场景中继续正常运行。因此，在选择 ESD 保护二极管来保护这些设备时，选择具有足够 IEC 61000-4-2 额定值的二极管至关重要，以确保二极管本身能够经受住反复暴露于 ESD 的考验。

3. 二极管钳位电压选择

在发生 ESD 故障后，我经常从电路设计人员那里听到的一条评论是：“我使用了 ESD 保护二极管，其额定值为 30kV 接触和 30kV 气隙 IEC 61000-4-2 ESD。为什么我的系统仍然失败？30kV/30kV 额定值远高于推荐的 8kV/15kV 额定值！”

虽然 IEC 61000-4-2 等级很重要，但它并不是我们在选择 ESD 二极管时需要考虑的唯一因素。IEC 61000-4-2 等级仅告诉我们 ESD 二极管本身可以承受多少电压。该额定值并未说明下游电路是否会受到保护。要理解这一点，我们需要查看二极管的钳位电压。

与电路并联放置的保护二极管可保护该电路免受 ESD 的影响。当发生 ESD 冲击时，二极管会迅速击穿并将“所有”ESD 电流引导至地，从而保护下游电路。我将“全部”放在括号中，因为所有 ESD 电流流经 ESD 二极管的唯一方式是二极管的阻抗为零。在现实世界中，所有 ESD 二极管都有一些小的电阻，称为动态电阻 (R DYN )。R DYN将导致导通二极管两端的电压降；由于受保护集成电路 (IC) 是并联的，因此我们会看到受保护 IC 两端的压降相同（图 1）。该电压降称为钳位电压。

图 1：ESD 二极管的钳位电压

ESD 二极管的钳位电压将最终决定下游 IC 是否会受到 ESD 冲击保护。尽管它是最重要的规格之一，但它也可能是数据表中最难找到的规格。确定二极管在受到 IEC ESD 冲击时的真实钳位电压的最简单方法是查看传输线脉冲 (TLP) 响应曲线。图 2 是 ESD122 TLP 响应曲线的示例，它显示了器件的电流和电压之间的关系。如我们所见，当流经器件的电流增加时，器件两端的电压几乎以线性速率增加。

图 2：ESD122 的 TLP 响应曲线

TLP 很有用，因为它具有与 IEC 61000-4-2 ESD 冲击相似的特性。因此，我们可以将 TLP 电流与 IEC ESD 相关联：

· 2kV IEC 冲击 = 4A TLP。

· 4kV IEC 冲击 = 8A TLP。

· 6kV IEC 冲击 = 12A TLP。

· 8kV IEC 冲击 = 16A TLP。

有了这些信息，我们可以从图 2 中的 TLP 响应曲线推断，在 8kV IEC 61000-4-2 ESD 冲击期间，ESD122 的钳位电压约为 13.5V。换句话说，当发生 8kV IEC 冲击时，我们可以预期下游电路将暴露在 13.5V 下大约 100ns。

一般而言，钳位电压越低，保护性能越好，因此下次选择ESD二极管时，请查看TLP曲线。