電子發燒友網報道(文/李寧遠)在關注半導體器件以及連接器件的穩定性時，我們總會說到ESD和浪涌。ESD的本質是正電荷和負電荷在局部范圍內失去平衡的結果，在高速的電量傳輸過程中，往往會產生潛在的破壞性電壓、電流。絕大多數電子元件在數百伏的電壓下就會損壞，有的器件甚至不需要上百伏，在幾十伏時就會損壞。浪涌同樣如此，能夠瞬間燒壞電路。

外部ESD防護的一些應用

當下基于先進工藝的半導體器件會提供基礎的設備級的ESD保護，但這種級別的ESD規格是不足以完全保護系統中設備的，系統級別的ESD打擊的能量級別會超出基礎設備級ESD的防護能力，需要引入外部的ESD防護來實現整個系統的可靠性。

這里先看一個用于以太網物理層PHY的外部電路保護。下圖示例中，需要對連接器中的Tx/Rx信號線提供4個通道的ESD保護。這些信號的電壓范圍從1V到2.5V，并且以太網標準下的帶寬包括10mbps、100mbps、1Gbps。不同的這些速度下，對應的ESD二極管的電容需要做出調整。

(以太網外部電路保護，TI)

在以太網的電路應用中，為了在負方向提供足夠的保護，一般會選擇單向的外部ESD保護。另外在電容的選擇上要注意，尤其是千兆以太網應用，電容<4.5pF更合適。

再看看工業應用中常見的4-20-mA標準。工業傳感器以4-20mA電流的形式傳輸它們從外部環境接收到的數據。這種4-20mA環路的電纜可能很長，ESD和浪涌脈沖可能耦合到電纜上并損壞系統。

(4-20mA環路電路保護，TI)

多數4-20mA電壓都是24V，因此可以在電源(包括發射端、接收端)前面添加一個電壓略高一點的二極管來進行防護。這一類空間受限類的應用，保護二極管要越小越好。

浪涌保護TVS與平緩鉗位技術

TVS二極管是浪涌保護里很流行的選擇，一來它并不復雜，二則是成本很低，能完成短時間內分流高電流浪涌的任務。想要實現較高的性能表現，TVS二極管的鉗位系數VCL/VBR要足夠低，同時響應速度必須快，在工業上的應用則更多的要考慮功率密度。在封裝上，各廠商都盡可能地將其封裝做得很小，畢竟較大的封裝一直是TVS被人所詬病的地方。

如果使用TVS也不足以進行保護，這種情況又該怎么辦?這種情況一般會增加串行電阻，降低保護IC I/O的鉗位電壓。但對于某些接口來說，添加串行電阻可能會超過標準中指定的阻抗，也有可能減少帶寬，這是要注意的。

(TVS效果，ST)

TI的平緩鉗位技術相比于TVS，提供了一個精確的、平坦的同時和溫度無關的電壓，進一步減少了系統的電壓風險。根據TI給出的數據，該技術標準下的浪涌保護IC封裝面積比行業標準的微型A(SMA)/微型B(SMB)小90%，與傳統的基于TVS的方案相比，電容要低得多，低了五成左右。

該技術集成了電壓傳感電路、柵極驅動電路和作為主動鉗的功率場效應晶體管。電壓感應電路確定觸發電壓。當鉗內的輸入電壓低于觸發電壓時，柵極驅動器和功率FET關閉。一旦輸入電壓高于觸發電壓，柵極驅動器和功率FET將打開，以鎖定引腳處的電壓。

其他問題

對于ESD防護來說，也不是保護電壓越高越好。確定ESD保護效率的最佳參數是鉗位電壓，假設是30kV的ESD二極管，但是鉗位電壓很差，這意味著電路將會對瞬態電壓更敏感。除非是車規級標準應用，才會考慮高于8kV的ESD魯棒性。

有些ESD保護會添加快速恢復性能，標準ESD保護在擊穿電壓被激活后，其電壓隨電流線性增加到鉗位電壓。快速恢復性能意味著在保護觸發后降低鉗位電壓。

小結

在器件端口和接口進行防護，使其免受各種瞬態過壓事件的影響是提升電子器件可靠性非常重要的一環。從另一個角度來說，ESD和浪涌保護在提供足夠的防護之外對系統的信號完整性也有著不小的作用。

原文標題：ESD和浪涌保護技術應用

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審核編輯：湯梓紅