隨著集成電路的發(fā)展，芯片的集成度越來越高，但是相應(yīng)的耐壓也逐漸降低，所以很容易遭受EOS、ESD（靜電放電）等瞬態(tài)能量的破壞。
ESD（靜電保護(hù)器）作為現(xiàn)在最主要的保護(hù)器件之一，對電路和芯片的保護(hù)起到了重要作用。
靜電保護(hù)器，也叫靜電管，英文全稱Electrostatic Discharge Suppressor，英文縮寫ESD。
一、ESD的工作原理
正常情況下，ESD和被保護(hù)的電路或者芯片并聯(lián)，在不動(dòng)作的時(shí)候，阻值很大，在兩端電壓小于等于保護(hù)器件截止電壓的時(shí)候，漏電流很小（規(guī)格書定義值），基本不產(chǎn)生功率損耗，所以不影響電路正常工作。
當(dāng)ESD兩端的電壓超過擊穿電壓的時(shí)候（定義的是1mA電流下的電壓），ESD被判定擊穿導(dǎo)通，從高阻變成了低阻，根據(jù)歐姆定律，I=U/R，這個(gè)時(shí)候流經(jīng)ESD的電流會(huì)瞬間變大，把過壓限制在ESD的最大鉗位電壓以下，從而起到分流限壓的效果。
瞬態(tài)過壓消失后，ESD又恢復(fù)成了高阻狀態(tài)，從而達(dá)到重復(fù)保護(hù)的效果。
二、ESD與TVS的區(qū)別
ESD的工作原理和TVS是一致的，甚至某些時(shí)候可以直接稱呼ESD為TVS，但是之所以把ESD單獨(dú)作為一個(gè)保護(hù)器件種類區(qū)分開來，自然是有它的原因的。
首先，TVS的目的是為了防護(hù)能量相對較強(qiáng)的浪涌，創(chuàng)造之初就是作為電源口的防護(hù)器件用來保護(hù)電源接口不被浪涌打壞，所以正常情況下TVS對本身的結(jié)電容是沒什么要求的，一般不會(huì)體現(xiàn)容值Cj這個(gè)參數(shù)。
但是ESD不同，ESD之所以會(huì)誕生，正是因?yàn)樾枰獫M足某些特定的環(huán)境下瞬態(tài)過壓比如靜電對產(chǎn)品信號接口的破壞的防護(hù)要求，靜電的特性根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2可以知道就算是標(biāo)準(zhǔn)里面定義的最高放電等級——接觸放電8KV、空氣放電15KV的時(shí)候電流也才幾十安培，而且靜電的脈寬時(shí)間是納秒（ns）級別，所以對產(chǎn)品的通流能力要求沒那么高。
但是常規(guī)的TVS的封裝體積又比較大，放在芯片的信號接口做防護(hù)顯然是不合適的，同時(shí)常規(guī)的TVS的容值都是幾百pF到幾個(gè)nF，會(huì)嚴(yán)重影響高速信號線的傳輸，所以急需一種器件可以同時(shí)滿足這幾種條件：一、封裝小。二、容值低。三、可以滿足保護(hù)靜電最高等級接觸放電8KV空氣放電15KV的能力。四、可以把瞬態(tài)的過壓給降下來。
在這種情況下，ESD誕生了，通過大量降低TVS芯片尺寸，來實(shí)現(xiàn)降低容值的效果，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)小封裝的要求，并且可以通過靜電實(shí)驗(yàn)以及實(shí)現(xiàn)鉗位效果。
在實(shí)際的工程應(yīng)用當(dāng)中，很多信號端口的信號線不止一條，比如USB、HDMI等都有多條信號線，所以為了方便，市場上推出了多路陣列式防護(hù)器件，比如我司的TUSD05L4U，可以同時(shí)防護(hù)4路信號線，集成到一顆DFN2510-10L封裝的器件里面。
但是由于正常電源都是單路的，所以TVS基本上都是單路防護(hù)的，常用封裝也就只有SOD-123FL、SMA、SMB、SMC。
綜上，ESD和TVS的區(qū)別如下：
1、ESD主要用來防護(hù)靜電，TVS主要用來防護(hù)浪涌。
2、ESD封裝小、且封裝形式多樣。
3、ESD容值比TVS小。
三、ESD的電路符號和極性
ESD的電路符號和TVS可以畫成一樣的，因?yàn)橛玫淖疃嗟腅SD都是硅材質(zhì)的，電路符號如下：
四、ESD的伏安特性曲線
最早的ESD和TVS一樣都是常規(guī)的隨著經(jīng)過器件的IP更大，兩端的電壓值越高的特性，但是隨著時(shí)代的發(fā)展和需求的變化，增加了具有回掃效果的ESD，所以ESD的伏安特性曲線現(xiàn)在也分成常規(guī)的和回掃的，回掃ESD又分淺回掃和深回掃。
幾種不同特性的ESD都有各自的適用場景。
五、ESD的分類以及優(yōu)缺點(diǎn)
ESD其實(shí)是一種根據(jù)功能命名的器件，主要是用來防護(hù)靜電，但是根據(jù)材料來區(qū)分的話，又可以分為三大類，三種類型的ESD特性各有差異：
1，硅基材料：也可以叫做TVS型的ESD，或者直接叫TVS。
優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)速度快、鉗位電壓低、封裝形式多樣、容值范圍比較大、不易老化。
另外，TVS型ESD又分為普通型和回掃型，回掃型主要應(yīng)對在電路無法進(jìn)行更改但是同時(shí)又會(huì)因?yàn)闅垑簡栴}導(dǎo)致后端受到干擾時(shí)應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)是殘壓低，但是同樣存在“栓鎖效應(yīng)”，即當(dāng)正常工作電壓如果大于回掃后的最小電壓時(shí)，如果電流超出器件維持電流，則會(huì)導(dǎo)致ESD持續(xù)導(dǎo)通后失效。
2，壓敏材料：正常都是氧化鋅材質(zhì)的小封裝壓敏電阻，也可以直接叫壓敏電阻。
優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)速度快、防護(hù)等級可以做的較高。
缺點(diǎn)：易老化、殘壓較高、容值較大。
3，高分子聚合物材料：高分子材料做成的具有防靜電功能的小封裝保護(hù)器件。
優(yōu)點(diǎn)：容值極低（0.05pF）。
缺點(diǎn)：啟動(dòng)電壓高（幾百伏）、防護(hù)等級低、不耐高溫。
六、常見ESD封裝
ESD根據(jù)保護(hù)信號線的路數(shù)，又可以分為：單路保護(hù)ESD、兩路保護(hù)ESD、四路保護(hù)ESD等，所以ESD的封裝形式也有各種類型，如下所示：
DFN0603-2L（0201） | DFN1006-2L（0402） | SOD-523（0603） | SOD-323（0805） |
尺寸—— 長：0.6mm 寬：0.3mm 高：0.3mm | 尺寸—— 長：1.0mm 寬：0.6mm 高：0.5mm | 尺寸—— 長：1.2mm 寬：0.8mm 高：0.6mm | 尺寸—— 長：1.7mm 寬：1.2mm 高：0.9mm |
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DFN1610-2L | DFN2020-3L | DFN2510-10L | SOT-23 |
尺寸—— 長：1.6mm 寬：1.0mm 高：0.5mm | 尺寸—— 長：2.0mm 寬：2.0mm 高：0.6mm | 尺寸—— 長：2.5mm 寬：1.0mm 高：0.6mm | 尺寸—— 長：3.0mm 寬：1.3mm 高：1.0mm |
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SOT-143 | SOT-23-6L | ||
尺寸—— 長：2.9mm 寬：1.3mm 高：1.0mm | 尺寸—— 長：3.0mm 寬：1.6mm 高：1.3mm | ||
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當(dāng)然，以上是常規(guī)封裝，隨著市場需求變化，也有一些特定接口的保護(hù)會(huì)需求其它形式的封裝，比如SOT-323、SOT-363等，主要是由于PCB小型化無法放進(jìn)多顆ESD的情況導(dǎo)致的需求，正常情況下，如果PCB允許的情況，封裝大引腳大一點(diǎn)有利于電流泄放，可以不用選擇的太極限，以免出現(xiàn)其它問題。
七、ESD的關(guān)鍵參數(shù)
①，靜電防護(hù)等級：器件可以保護(hù)的最大的靜電等級。 說明：阻容模組正常是IEC模型150pF、330Ω，放電模式根據(jù)靜電槍頭是否接觸EUT分為接觸放電和空氣放電，根據(jù)是測試EUT還是耦合板分為直接放電和間接放電，通常情況下，這里的放電等級是在直接放電的模式下測試的。 |
②，8/20us 波形峰值脈沖電流：器件在8/20us波形下可以承受的最大電流。 備注：之所以沒有評估功率，主要是考慮現(xiàn)有器件的特性不是功率越大越好，因?yàn)?/span>Ppp=IPP*VC，而回掃型ESD的VC很低，所以功率高有可能意味著殘壓也很高， |
③，絲?。罕硎井a(chǎn)品本體上的印字。 |
④，截止電壓（Vrwm，Reverse stand-off voltage）：安全工作電壓，器件兩端電壓小于等于截止電壓時(shí)，器件的漏電流≤規(guī)格書定義的漏電流。 說明：所以如果產(chǎn)品工作電壓超出器件截止電壓，器件兩端的漏電流就會(huì)變大，最后導(dǎo)致器件性能損傷或者直接導(dǎo)通失效。 |
⑤，擊穿電壓（VBR，Breakdown voltage）：觸發(fā)電壓、動(dòng)作電壓、在器件兩端電壓大于等于擊穿電壓時(shí)，判定器件被擊穿，實(shí)際是在規(guī)格書定義的測試電流IT（1mA）下對應(yīng)的電壓。 |
⑥，最大鉗位電壓（VC，Maximum Clamping Voltage）：在對應(yīng)波形（正常情況下是在10/1000us的純電流波）的IPP的情況下，器件兩端的限制電壓（也叫殘壓、鉗位電壓、保護(hù)電壓等）。 說明：在不同的電流的情況下，ESD兩端的VC會(huì)有差異。 |
⑦，反向漏電流（IR，Reverse Leakage）：定義在器件兩端電壓為截止電壓Vrwm的時(shí)候器件的反向電流。 |
⑧，結(jié)電容：器件兩端的電容值。 說明：高速信號線對并聯(lián)在上面的器件的電容值比較敏感，因?yàn)闀?huì)影響電路正常的信號傳輸。 |
⑨，產(chǎn)品封裝：表明產(chǎn)品的封裝形式。 |
⑩，極性：只有一顆單向TVS意味著是單向器件，有兩顆則是雙向，單雙向也可以通過I-V特性曲線來進(jìn)行判斷。 |
八、ESD的選型考慮
底層邏輯：在不影響要保護(hù)的電路平時(shí)正常工作的情況下，還能在異常的過壓經(jīng)過的時(shí)候，把電壓降下來，達(dá)到保護(hù)后面的電路或者芯片的目的，同時(shí)保護(hù)器件本身還不能被打壞。
分析：
1，如何實(shí)現(xiàn)在加了ESD后不影響電路正常工作？
——針對電源端口，主要會(huì)影響電路正常工作的因素是ESD的兩端的電壓和漏電流，漏電流大會(huì)導(dǎo)致電路損耗增大，對于ESD本身來說，正常不動(dòng)作之前漏電流是很小的，但是在觸發(fā)導(dǎo)通之后，器件的反向電流會(huì)變大，持續(xù)保持這個(gè)狀態(tài)ESD有失效的風(fēng)險(xiǎn)。
所以，針對以上考慮，ESD首先需要考慮截止電壓Vrwm的選擇，因?yàn)榻刂闺妷壕褪轻槍π缘慕o出的安全電壓的建議，如果電路本身的工作電壓超出器件的截止電壓，那么漏電流就有可能會(huì)超出TVS規(guī)格書給出的范圍，產(chǎn)生安全隱患。
也就是：Udc < Vrwm
——針對信號端口，分為高速信號和低速信號，需要考慮到ESD的結(jié)電容，不同的傳輸速率，對容值要求越高，不同傳輸速率下建議應(yīng)用的器件容值如下：
2，怎么實(shí)現(xiàn)異常過壓經(jīng)過ESD后，ESD可以有效保護(hù)后面的電路或芯片。
——這里主要考慮的是器件兩端的殘壓，但是由于這里的殘壓是瞬態(tài)的，而后端芯片的耐壓是常態(tài)的，所以還是需要實(shí)際測試驗(yàn)證。
如果在PCB不能動(dòng)的情況下，可以先嘗試用幾種方法降低器件兩端殘壓：
①，選用殘壓更低的器件或者回掃型的器件。
②，選用IPP更大的器件。
如果PCB可以更新，可以嘗試用以下幾種方案降低殘壓：
①，線路上串聯(lián)電阻并聯(lián)電容等退耦器件，因?yàn)榻?jīng)典的脈沖持續(xù)時(shí)間只有納秒級別，所以瞬間的脈沖尖峰非常高，可以通過增加電阻等退耦的方式吸收尖峰殘壓。
②，把ESD的地阻抗減少，加快ESD動(dòng)作時(shí)間。
靜電的防護(hù)除了傳導(dǎo)以外，還有耦合的方式，因?yàn)镋SD頻率非?？?，所以容易直接和敏 感金屬引腳形成電容電流路徑，盡量把敏感信號離地物理路徑遠(yuǎn)一點(diǎn)以免產(chǎn)生耦合。
3，ESD自身不能被打壞。
——這個(gè)主要是考慮ESD的防靜電等級，選擇一個(gè)比需求的等級高的ESD就可以了。
