ESD（Electro-Static discharge）的意思是“靜電釋放”。ESD是20世紀中期以來形成的以研究靜電的產生、危害及靜電防護等的學科。因此，國際上習慣將用於靜電防護的器材統稱為ESD，中文名稱為靜電阻抗器。  通常，電路中通常採用TVS(Transient Voltage Suppressor)二極體，又稱為瞬態抑制二極體，是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應時間（亞納秒級）和相當高的浪湧吸收能力。當它的兩端經受瞬間的高能量衝擊時，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變為低阻抗，以吸收一個瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個預定的數值上，從而保護後面的電路元件不受瞬態高壓尖峰脈衝的衝擊。什麼是ESD

眾所周知，物體會在與其他物體的接觸與摩擦中產生並積累電荷。舉個例子，人類的面板經常會在與物體的接觸和摩擦中失去電子，從而積累正電荷。當這個積累了很多正電荷的物體與一個導體距離非常近或接觸的時候，電子將會快速從導體轉移到積累正電荷的物體上，這個電子快速轉移的過程就是靜電釋放，英文簡稱ESD。當你在乾燥的天氣脫了大衣又去抓金屬門把手的時候，我相信你就知道ESD是什麼了。 一般而言，ESD可能會高達上千伏特，這會對比較敏感的半導體和積體電路造成損害。ESD在積體電路系統中對裸露在外的介面有非常重要的作用，當帶有電荷的物體比如人類靠近或者接觸這些介面的時候，ESD電流會釋放在PCB上，這很容易對電路造成損害。 為了防止系統損傷，我們可以在靠近介面的位置放置一個ESD保護二極體。當ESD靜電打上介面時，ESD保護二極體會將電流引向地，從而起到保護系統的作用。

如圖所示，在介面訊號向系統傳輸的過程中，ESD保護二極體應該處於隱形狀態，並且沒有電流流過。然而，當一個ESD攻擊事件發生時，二極體兩端的電壓超過一個稱為擊穿電壓的特定閾值，二極體開始導通，並將電流分流到地。

讓我們仔細觀察一下這個電流電壓曲線，我們定義當二極體流過的電流為1毫安時，二極體達到擊穿電壓，當輸入的電壓小於二極體的擊穿電壓時，理想情況下二極體流過的電流應當為零。然而在現實世界中，一定量的電流洩露是必然存在的，如圖中所示。在TI的設計語言中，我們將Vrwm稱為工作電壓，定義為電流10納安的點、這個工作電壓值可以理解為建議的最大電壓訊號浮值，所以在一般設計中，我們會建議系統的訊號不要超過Vrwm。例如，如果你的訊號範圍是0至3.6伏，您應該選擇一個Vrwm在3.6伏以上的二極體。如果你選擇的二極體工作電壓小於3.6伏，就容易發生電流洩露的情況。

ESD二極體通常有兩種極性： 雙向和單向雙向二極體通常有正負對稱的I-V曲線，工作電壓和擊穿電壓。正因為如此，雙向二極體可以支援在它正負工作電壓範圍內的正負訊號。另一方面單相ESD二極體一旦出現負壓，則會被擊穿。所以對於單向ESD二極體而言，它僅能支援正向的0至工作電壓區間的訊號。不過單向ESD二極體反向鉗位的電壓更小，可以提供更好的負壓保護。

總結而言，雙向和單向ESD二極體都可以提供正負ESD電壓保護。但是雙向ESD二極體由於具有對稱的正負擊穿電壓，可以通過正負訊號。而單向ESD二極體只可以通過正向訊號，適用的介面比如USB HDMI以及一些其他的數字介面，不過相比雙向而言單向ESD二極體對於負壓的保護更好。

IEC 61000-4-2標準

幾乎所有的模擬和數字晶片都會在data sheet裡標註這顆料的ESD資料，設計人員經常會參考這些資料並誤以為這些晶片可以在日常使用中免受ESD的損壞。但是如果您瞭解衡量ESD的標準後，您就會知道，普通晶片的ESD等級並不一定能完全保護電路。

我們來看一看您可以會在data sheet中看到的ESD模型，第一個是人體模型，簡稱HBM，它模擬了在工廠環境中攜帶靜電的人體觸控接地裝置的過程。HBM的波形如綠線所示，值得一提的是HBM標準是為了衡量晶片能否在生產、組裝和運輸的過程中免受ESD的損害，並非適用於日常使用的場景。

第二個介紹的是帶電裝置模型，簡稱CDM，它模擬了一個帶靜電的器件接觸電路的情景，CDM的模擬波形如藍線所示，CDM會在小於20ns的時間內有一個非常高的電流脈衝。和HBM相似CDM也是為了衡量晶片生產，製造過程中可能會遇到的ESD而設計的，並非適用於日常使用場景。

我們介紹的下一個標準IEC 61000-4-2模型和HBM以及CDM不同，這是一個為日常使用設計的標準，它可以幫助我們衡量晶片確保是否能在日常可能接觸到的ESD中免受損壞。如紅色波形所示它用了更高的電流脈衝並且持續的時間也更長。

IEC 61000-4-2標準有四個不同的等級，最高等級為四級，應用8kV的接觸放電和15kV的空氣放電，這意味著您的介面晶片有能力免受8kV接觸放電和15kV空氣放電的損壞。

如果您的晶片沒有達到這個等級，在電路里增加我們的ESD保護晶片，可以幫助你們達到這個級別，甚至更高級別的保護。

ESD二極體鉗位電壓

通常大家對IEC標準存在一個誤解，這裡我們以IEC四級舉例，當我們在data sheet中提到這顆ESD二極體可以達到8000V接觸放電和15kV空氣放電時，我們針對的是這顆ESD二極體本身可以承受8000V和15kV的ESD衝擊，並不代表系統電路同樣可以承受。ESD二極體的鉗位電壓可以幫助我們量化在承受ESD衝擊的時候，系統將會受到的衝擊。

如圖所示，我們的ESD保護二極體放置在一個與受保護電路平行的位置，鉗位電壓的含義是指在系統遭受對應級別的ESD衝擊時，系統SE需要承受的衝擊電壓值。這張圖顯示了一個8kV IEC衝擊在系統中造成的衝擊電壓隨時間的變化。紅色的波形代表沒有ESD二極體的資訊，如果加上了ESD保護二極體，當一個ESD衝擊進入系統，ESD二極體將立刻被擊穿，並提供一個低阻抗的路徑將電流導向地面。無論如何，在ESD保護二極體的兩端，由於阻抗的存在依然會有一定程度的壓降，這個壓降將會平行對映到系統電路中。

藍色的波形就顯示了鉗位波形，對於瞭解鉗位電壓，最好的辦法是觀測ESD二極體的傳輸線性脈衝曲線或者簡稱為TLP曲線。

TLP曲線提供了二極體電壓與電流的關係，可以通過給定的輸入電流推算出鉗位電壓。舉個例子當1A的電流被釋放到ESD二極體，它的鉗位電壓大約為8.4V，當放電電流為2.7A鉗位電壓為9V，當放電電流為5.8A時鉗位電壓為10V，以此類推。現在我們可以大致估算出衝擊時，系統會承受的鉗位電壓。對於8000V的IEC ESD衝擊而言，我們只需要看TLP曲線中16A的那一點，對於這一個二極體而言，鉗位電壓大約是13.4V。

TLP曲線的斜率對於理解二極體保護的好壞很重要，舉個例子，綠色的曲線代表另一顆ESD保護二極體，更高的斜率代表它在對應電流時有更低的鉗位電壓，根據歐姆定律這條曲線的斜率為動態電阻1/Rdul。所以，當你關注鉗位電壓時選擇動態電阻更小的ESD保護二極體，就代表它擁有更小的鉗位電壓。

ESD的電容及電容對於系統的意義

回憶一下ESD保護二極體的最主要的作用，是在ESD衝擊發生時將電流引至地來起到保護系統的作用。然而，這顆ESD二極體在系統正常工作時，應該是處於完全隱形的位置。在現實世界中，情況並非如此，因為二極體會具有干擾訊號完整性的寄生電容。

我們來複習一下原理知識，一個二極體是由一個PN節組成，其中包含一個正摻雜的P區和一個負摻雜的N區，在PN節的中心還有一個高電阻率的耗盡層，由於P和N摻雜區具有相對較低的電阻，如電容器的極板，並且耗盡區具有如電容器的電介質那樣的高電阻。所以二極體具有電容特性，並且可視為一個電容，如果二極體的寄生電容過高，則可能增加訊號通過的上升和下降時間，這會對訊號完整性造成傷害。

舉個例子，對於一些高速的介面比如USB 3.0或者HDMI 2.0眼圖測試是一項必須的測試，用來確保介面符合標準。但是，增加的電容值會增加訊號的上升與下降時間，從而導致眼睛閉合使得訊號失真，無法滿足訊號標準的要求。

那麼選擇ESD二極體時應該選擇哪種電容？由於每種設計都有自己的電容預算，因此不存在適合每種介面的最大ESD電容要求。但是這張表給出的幾種常用介面的一般電容和ESD選型的建議。

如何選擇ESD二極體

ESD保護的第一步是量化介面電壓範圍，以確定ESD二極體的工作電壓；第二步是選擇極性單向還是雙向二極體；第三步是確定二極體在不干擾二極體訊號接受完整度的情況下可以達到的最大電容；第四步是決定受保護系統的IC的鉗位電壓；最後一步是確定ESD為IEC 61000-4-2 4級 8千伏接觸放電和15千伏空氣放電。

       讓我們以USB 2.0為例介紹一個簡單的例子，您已經選擇了USB 2.0開關和電池充電器，但都需要ESD保護，因為它們直接放置在容易受到ESD衝擊的USB插座旁邊。第一步是確認介面的電壓範圍，對USB2.0而言 Vbus 可能達到5伏，所以我們可以確定的是，需要選取的ESD保護二極體的工作電壓需要達到5伏或略微高於5伏。正常工作中D+和D-負責傳輸叉分訊號幅值範圍在0到3.6伏之間。所以我會選擇工作電壓在3.6伏，或者更高的ESD保護二極體。

接下來我們需要確定ESD二極體的極性配置，在我們希望的應用中，因為Vbus和D+、D-都是大於等於零的正向訊號，所以單向和雙向的二極體都是有的。選擇單向二極體有助於提供更好的提供負壓保護，而選擇雙向二極體，可以提供更靈活的設計空間，因為pin腳可以自定義接地、後接I/O口。同理適用於D+與D-。

接下來，我們需要確定ESD二極體應該具有的電容，因為Vbus線路是直流電訊號，電容對訊號無影響，但對於D+和D-而言，在高速USB中訊號速率可以達到480兆，所以我們需要考慮對電容的影響。雖然最大的ESD電容還取決於整個系統的電容總預算，但一般而言我們推薦該介面的電容小於2.5pF，如果系統中其他器件具有更高的電容值，那麼此處可能需要選擇更小電容的二極體。

接下來，我們看看保護系統所需的鉗位電壓。在這種情況下我們需要考慮USB switch和Battery Charger能承受的最大電壓衝擊，我們假設battery charger在TLP脈衝20伏時會發生故障，USB switch在TLP16脈衝16伏時會發生故障，這意味著為了保護battery charger順利通過8000伏的IEC ESD衝擊，ESD二極體必須在16安 TLP有小於20伏的鉗位電壓。同理，為了保護USB switch ESD二極體必須在 16安TLP時有小於16伏的鉗位電壓。請記住，裝置的TLP的故障電壓與裝置的絕對最大額定電壓不相同，絕對最大電壓是一個直流電壓，而TLP是一個100ns的瞬態。

我想指出，很快找到系統所需的鉗位電壓並非那麼容易。所以各家元件廠商包括TI已經建立了幾種選擇工具和指南，來推薦基於介面的解決方案。

我們即將完成我們的選型任務下面我們要做的確保我們選擇的晶片，最小能滿足IEC61000—4—2四級的標準，也就是至少千伏的接觸放電和15千伏的空氣放電。

以上就是關於ESD的基礎知識及選型，如果要學習更多關於ESD或其他介面相關知識，請訪問

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