工程師都在知道在設計的時候會考慮到ESD，通常也會使用到TVS二極管。但是重點在于需要多保護，什么時候不需要保護了？這篇文章會對電路進行模擬。

一、ESD 保護電路的作用

主要就是減少電壓和電流，一旦減少，IC的內部ESD保護就可以解決剩下的問題。

下圖顯示了普通PIC16控制器的框圖，雖然說并不是所有的微控制器/IC都會使用這種完全相同的ESD保護電路，但是會非常相似。通常來說，二極管的尺寸非常小，沒有辦法在燒毀的情況下處理通過的大量電流。

注意引腳左側的兩個二極管，是內部ESD保護電路。

任意 IO 引腳的 PIC16F616 內部框圖

下圖這個例子，在ESD事件期間，如果沒有外部TVS二極管，IC會在引腳上看到超過300V的電壓，很有可能會使內部保護過載并損壞設備。通過添加單個外部TVS二極管，可以減少這種情況發生。

二、5種ESD保護電路+模擬

為了更好地展示ESD事件期間不同保護方案的工作原理，下面對5種不同ESD保護電路的方案進行模擬。

下面為ESD：

對該電路進行測試，使用2R校準電阻（R14），會生成一下電流/時間圖。

使用 2R 校準電阻

了解后，使用此電路測試各種不同的ESD保護電路。

1、無ESD保護電路

下面這個電路模擬了IC內部的ESD保護電路，ESD應用于暴露的GPIO引腳，具有少量寄生電阻：

無ESD保護電路

模擬

GPIO引腳電壓超過1KV，11A通過D1。根據下圖曲線，沒有ESD保護會使內部保護二極管暴露在極端的電壓和電流下，可能會導致二極管失效。由于通過 D1 的電流與電壓 GPIO 直接相關。

無ESD保護電路，GPIO 引腳電壓超過 1kV，11A 通過 D1。

2、串聯ESD保護電路

這里的ESD保護電路只是簡單地使用一個串聯電阻。對于這個模擬，使用220R，串聯電阻用于減緩信號的上升時間，并且可以大大改善電路的EMC和SI。

ESD保護電路使用一個串聯電阻

模擬

如下圖所示，最大GPIO電壓降低了近50%，通過D10的電流降低了40%。雖然說依舊會損壞IC，但確實也顯示了單個電阻可以增加ESD保護產生的影響，如果IO引腳上的信號允許，可以使用更大的電阻提供額外保護。

與無 ESD 保護相比，串聯電阻的曲線圖顯示出顯著改善。

3、電容

另一種簡單的ESD保護電路在引腳到地之間簡單地加一個1nF電容。與串聯電阻類似，電容的大小取決于線路的用途。

在 GPIO 線與地之間添加了一個 1nF 電容

模擬

如下圖所示，單個1nF小電容使曲線圖發生巨大變化。峰值電壓小于330V，電流限制在3A左右。

這個ESD保護電路潛在的問題是事件比現在要長的多，可能使內部保護二極管過熱，并且可能破壞線路上的任何數據。

這個圖與前面2個完全不一樣，電容顯著減慢了事件的上升時間

將電容換成10nF，進一步降低了峰值電壓，但是事件發生的事件也被延長了。

一個 10nF 的電容進一步降低了峰值電壓

串聯電阻也是這樣，電容越大，提供的保護越多，但是有個例外，具有低ESR的大陶瓷電容會導致振鈴。因此，通常需要將串聯電阻與電容結合使用，至少用其串聯的電阻來阻尼電容。另外，不可以將這種方法用于任何通信或者高速信號，因為電容會使總線負載過大。

4、TVS二極管

接下來是TVS二極管，是ESD保護電路最常用的方法之一，作用與齊納二極管基本相同，傳導速度更快，浪涌額定值更高（有時候也沒有指定的連續電路/額定功率）。

有一些重要的定義/規范：

• 反向工作最大電壓 (VRWM)：正常工作條件下應施加的最大反向電壓。

• 擊穿電壓 (VBR)：二極管剛開始導通時的電壓。

• 鉗位電壓 (VCLAMP)：系統在浪涌期間將經歷的最大電壓。

• 動態電阻 (RDYN)：二極管完全導通時的估計電阻。

這里要注意單向二極管和雙向二極管是不一樣的。在GPIO上使用 8.2V 齊納 (TVS) 二極管接地。

在GPIO上使用 8.2V 齊納 (TVS) 二極管接地。

模擬

可以看到GPIO 引腳上的電壓大幅下降。最大現在約為16V，通過D10的電流僅為100mA。內部保護二極管可以這樣使用。

GPIO 引腳上的電壓大幅下降

這里必須要知道的是外部TVS二極管D12承受的壓力，如下圖所示：

顯示了 TVS 二極管 D12 在 ESD 事件期間承受的電流

TVS的電流等級

當使用 TVS 二極管時，Datasheet上會有“電流 – 峰值脈沖 (10/1000μs)”的規格。這是 TVS 二極管在指定時間和波形下可以處理的最大額定電流。

TVS的電流等級

10/1000μs 是衡量 TVS 二極管功率處理性能的常用規格。

降低電流并保護TVS二級管的一種簡單方法是在TVS的連接器側使用串聯電阻。在在 TVS 二極管的 ESD 側放置了一個 220R 電阻。

在 TVS 二極管的 ESD 側放置了一個 220R 電阻

在 TVS 二極管的 ESD 側放置了一個 220R 電阻。

模擬

下圖顯示通過 TVS 二極管的電流減少了近 50%。當峰值電流/電壓降低時，事件的長度增加。

通過 TVS 二極管的電流減少了近 50%

電阻還會影響 GPIO 引腳上的峰值電壓。如下圖所示：TVS 二極管 + 串聯電阻的曲線圖顯示 GPIO 引腳上的峰值電壓略有下降。

TVS 二極管 + 串聯電阻的曲線圖顯示 GPIO 引腳上的峰值電壓略有下降

TVS 二極管 + 串聯電阻的曲線圖顯示 GPIO 引腳上的峰值電壓略有下降。

5、雙肖特基二極管

我偶爾會使用到的一個ESD保護電路是雙肖特基二極管，將一個偏置到地，另一個偏置到輸入電壓軌。與TVS方法不同的地方在于，在正電壓尖峰期間，功率會轉儲到正軌，而不是接地。這意味著必須有一個低阻抗的配電網絡。如下圖：

兩個肖特基二極管 D18 和 D19，分別偏置到地和正電壓軌。

兩個肖特基二極管 D18 和 D19，分別偏置到地和正電壓軌

兩個肖特基二極管 D18 和 D19，分別偏置到地和正電壓軌。

模擬

V15（電源）仍然具有相當大的 100R 串聯電阻。這意味著在正 ESD 事件中，浪涌基本上通過 D19，然后是 100R 電阻，然后通過接地完成電路。如下圖所示，這并不是一個很好的保護方案。

用 100R 電源時，雙 TVS 二極管基本上不提供保護

這里需要注意的另一個問題是肖特基的反向額定電壓，如果超過就會損壞二極管。電壓電源的阻抗更改為 1R，即可使雙肖特基方法比 TVS 更有效。

電壓電源的阻抗更改為 1R，可使雙肖特基方法比 TVS 更有效。

考慮到大多數電源的阻抗遠低于 1R，這種方案可能非常有效。如果使用這種方法，就必須要考慮到你的配電網絡。

三、使用什么ESD保護電路

這里主要是3個：

1、高速（USB/以太網/HDMI/等）

此類的信號比較容易設計保護，因為對于每個信號在降級發生之前可以具有的最大總線電容有非常詳細的規范。

通常我會使用專為信號類型設計的TVS二極管，然后看串聯是不是能接受，一般取值會大一點。

2、慢速接口，一般保護

這些是離開PCB的通用引腳，一般用于LED或者開關或者觸摸板。這里的關鍵是不會受到惡劣環境的影響。

對于這些，通常會使用TVS+大串聯電阻，根據應用，可能會使用雙肖特基方法，因為用這個還可以提供過流和短路保護。

3、慢接口，高防護

與上面的非常相似，除了針對工業應用，或者故障是不可接受的情況，這樣的話，會在信號中添加一個額外電容，從而顯著降低轉換率。

本文來源百芯EMA說DFM 在此特別鳴謝！