工業(yè)接口如何選擇合適的ESD二極管

說到半導體器件的穩(wěn)定性，肯定逃不開一個話題，那就是ESD和浪涌。不管是哪種應用場合，下到消費電子，上至汽車電子，器件在高速的電量傳輸過程中不可避免地會產生潛在的破壞性電壓、電流。一旦風險發(fā)生，電路會在瞬間被燒毀。

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，絕大多數(shù)電子元件在數(shù)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。往往我們會需要高效能的保護元器件來保護電路，當兩極受到反向瞬態(tài)高能量時候能夠吸收浪涌，對后級電路形成有效的保護。

ESD二極管對電路的保護

電路中不存在ESD保護的話，通過接口連接產生的高壓ESD沖擊會導致大電流峰值直接流入集成電路，造成損壞。為了保護敏感電路免受電氣過應力故障，ESD保護二極管會連接到接口連接器和集成電路之間的每個信號線。

在靜電危險發(fā)生時，ESD二極管被擊穿并產生一個低阻抗路徑，該路徑通過將電流轉移到地面來限制電路的峰值電壓和電流，從而保護整個集成電路。接地這種辦法是防靜電措施中最基本最直接最有效的，即便用這種最基本的辦法產生低阻抗路徑，電路峰值電壓也會與之前相差非常大，有數(shù)量級上的差別。

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（ESD保護二極管，TOSHIBA）

ESD防護會有幾個方面需要注意，首先自然是工作電壓上的。接口的信號電壓不應超過ESD設備在負方向或正方向上的工作電壓，以防止不必要的擊穿。電容也是需要重點關注的，由于ESD二極管與信號軌跡并行連接，因此它們給系統(tǒng)增加了一些寄生電容。ESD器件的電容在高速接口中特別重要，電容必須盡可能做得很小，否則信號的完整性會受到干擾，原本的防護也變成了累贅。

通過IEC 61000-4-2標準意味著ESD設備有更高的魯棒性，IEC 61000-4-2額定值越高，ESD設備所能承受的電壓就越高。而ESD設備可以有多種通道和配置，根據(jù)接口的不同，多通道設備可以比單通道設備節(jié)省更多的板空間，單通道設備則比多通道解決方案能提供更多的設計靈活性。

ESD防護的應用

拿工業(yè)場景中常見的4-20mA信號標準為例，該標準是工業(yè)應用中最流行的傳感器信號傳輸接口之一。PLC為系統(tǒng)提供電壓源，傳感器使用該電壓源以4-20ma電流的形式傳輸它們從外部環(huán)境接收到的數(shù)據(jù)。這種4-20mA環(huán)路的優(yōu)點是傳輸數(shù)據(jù)幾乎沒有信號丟失。但是，4-20mA使用的電纜往往會很長，并且現(xiàn)在還有向更長的電纜發(fā)展的趨勢，這意味著ESD和浪涌脈沖很容易耦合到電纜上損壞系統(tǒng)。

我們可以看到，4-20-mA使用的連接器、防護器件都會對靜電防護有較高的要求，盡可能減少風險耦合到電纜上，符合IEC 61000-4-2和IEC 61000-4-5標準級別的ESD二極管是必需的。將ESD二極管放置在發(fā)射機、電源和接收器前，來保護設備免受耦合到4-20mA電纜上的浪涌或靜電沖擊。

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（4-20mA環(huán)路電路保護，TI）

由于大多數(shù)4-20-mA電壓源都是24V，所以在這種環(huán)路中配置的ESD二極管往往是一個工作電壓略高的二極管。另外，受限于PLC、I/O模塊以及現(xiàn)場發(fā)射器的空間，保護二極管尺寸需要越小越好。

低動態(tài)電阻和低鉗位電壓在這種工業(yè)系統(tǒng)的ESD防護器件里是很重要的指標。因為IEC 61000-4-2等級僅僅說明了ESD二極管本身可以承受多少電壓，這個額定值并不代表二極管下游的電路是否能受到保護。ESD二極管的鉗位電壓才決定下游IC是否會受到保護。肯定是希望鉗位電壓越低越好，這樣下游電路才能盡可能少地暴露在擊穿環(huán)境下。

上面也提到了，電容肯定是不可忽視的。整個環(huán)路會有一個電容預算，雖然根據(jù)系統(tǒng)設計不同最大的ESD電容值會有些差異，流行的高速接口也都會有一些電容范圍，比如GPIO需要＜30pF的電容，HDMI需要＜0.5pF的電容，以太網一般在4pF以下等等。工業(yè)通信場景中一般電容在3pF左右較為合適。

小結

對于ESD防護來說，并不是保護電壓越高越好，確定ESD保護效率的最佳參數(shù)是鉗位電壓，鉗位電壓很差意味著電路將會對瞬態(tài)電壓更敏感。在端口和接口進行防護，使其免受各種瞬態(tài)過壓事件的影響是提升電路可靠性非常重要的一環(huán)。從另一個角度來說，ESD保護在提供足夠的防護之外對工業(yè)系統(tǒng)的信號完整性也有著不小的作用。