ESD 基礎(chǔ)知識，ESD 電容和反向工作電壓、擊穿電壓和極性配置

1、前言

靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）:是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移。當(dāng)帶了靜電荷的物體（也就是靜電源）跟其它物體接觸時，這兩個具有不同靜電電位的物體依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個電量在傳送過程中，將產(chǎn)生具有潛在破壞作用的電壓、電流以及電磁場，嚴(yán)重時會將物體擊毀。

2、ESD 電容

盡管 ESD 二極管的主要目標(biāo)是在 ESD 事件期間保護(hù)系統(tǒng)，但它在正常操作期間還有另一個同樣重要的目的：絕對什么都不做。雖然“什么都不做”似乎是一項簡單的任務(wù)，但 ESD 二極管的存在會增加系統(tǒng)的寄生電容。在 ESD 事件期間，二極管會擊穿并將破壞性電流引向接地。當(dāng)二極管導(dǎo)通時，可以將其建模為與動態(tài)電阻(R DYN )串聯(lián)的偏移電壓 V BR（擊穿電壓）。在正常工作期間，當(dāng)數(shù)據(jù)（或電源）通過走線傳輸時，二極管反向偏置。結(jié)果，二極管的耗盡區(qū)存儲電荷，有效地成為電容值為 C 的電容器L（圖 1）。

圖 1：在 ESD 事件期間，ESD 二極管在電壓 V BR下?lián)舸?，電阻?/span> R DYN（左）；在正常操作期間，信號傳遞到系統(tǒng)，ESD 二極管充當(dāng)電容值為 C L的電容器（右）

如果您沒有正確考慮 C L，二極管將降低通過的數(shù)據(jù)的信號完整性。對于USB 3.0、USB 3.1和HDMI 2.0等高速信號，需要通過眼圖模板測試才能符合接口標(biāo)準(zhǔn)。然而，增加走線電容會增加信號上升和下降時間并“關(guān)閉”眼圖。這可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不合規(guī)（圖 2）。

圖 2：符合 USB 3.1 Gen 2 標(biāo)準(zhǔn)的眼圖（頂部）；由高電容引起的不合規(guī)的 USB 3.1 Gen 2 眼圖（底部）

設(shè)計人員通常有一個電容預(yù)算，以確保整個系統(tǒng)保持合規(guī)性——沒有適用于每個設(shè)計的全面最大 ESD 電容要求。例如，如果系統(tǒng) A 的走線比系統(tǒng) B 的走線短，則系統(tǒng) A 將有更多的剩余電容分配給 ESD 保護(hù)。因此，系統(tǒng)A的ESD二極管可以具有更高的電容并且仍然符合標(biāo)準(zhǔn)。

3、反向工作電壓、擊穿電壓和極性配置

一旦電壓超過某個閾值，ESD二極管就會擊穿并呈現(xiàn)低阻抗路徑，將電流導(dǎo)向地。然而，在正常操作期間，ESD 二極管應(yīng)該完全“關(guān)閉”并且不會干擾通過跡線的信號或電源。這個正常工作電壓范圍被稱為反向隔離電壓或反向工作電壓（V RWM）。V RWM定義為流過二極管的電流不超過特定安培數(shù)時的最大正負(fù)電壓。對于 TI 的多個最新 ESD 二極管，此電流強(qiáng)度指定為 10nA。一旦電壓超過 V RWM，它就會接近擊穿電壓 (V BR)，定義為通過二極管的電流超過 1mA 時的電壓（圖 1）。

圖 1：具有 V RWM和 V BR的 ESD 二極管的對數(shù) IV 曲線

選擇具有 V RWM的 ESD 二極管至關(guān)重要，該二極管涵蓋接口的整個電壓范圍，以最大限度地減少正常操作期間的漏電流。這樣做時，重要的是要注意二極管的極性配置。ESD 二極管有兩種配置，如表 1 所列。

表 1：極性配置比較

圖 2：單向 ESD 二極管（左）和雙向 ESD 二極管（右）的 IV 曲線

在此 ESD 基礎(chǔ)知識系列中涵蓋了相當(dāng)多的內(nèi)容后，讓我們利用您所學(xué)到的一切來選擇合適的 ESD 二極管來保護(hù)在 19V 傳輸線脈沖 (TLP) 下發(fā)生故障的 USB 2.0 系統(tǒng)（這里有關(guān)于 TLP 和鉗位電壓的復(fù)習(xí)）。

· USB 2.0 差分信號的電壓范圍約為 0V（邏輯低）至 3.6V（邏輯高），因此您需要確保二極管的 V RWM包含此范圍。

· USB 2.0 帶寬最高可達(dá) 480Mbps，因此您要選擇具有適當(dāng)電容的二極管以保持信號完整性。

· 需要滿足 IEC 61000-4-2 4 級合規(guī)性，因此 ESD 二極管的額定值必須至少為 8kV 接觸放電和 15kV 氣隙放電。

· ESD 二極管在 16A TLP 時的鉗位電壓必須小于 19V，因為系統(tǒng)會在 19V 時失效。

TPD1E04U04 是一個很好的解決方案，因為它滿足所有這些要求：

· 它是一個單向 ESD 二極管，其 VRWM 為 0 至 3.6V。

· 它具有 0.5pF 的低電容。

· 它具有 16kV 接觸和 16kV 氣隙的 IEC 61000-4-2 額定值。

· 鉗位電壓在 16A TLP 時為 9V。