ESD静电的相关知识 TVS二极管的工作原理和关键参数

大家好，我是记得诚。

今天聊一聊TVS的选型，我们都知道TVS可以用来防ESD和浪涌，在介绍之前，先来讲一些ESD静电相关的知识，让大家对整个架构都能有所了解。

1. ESD介绍

1.1 ESD简介

ESD，英文全称是Electro-Static discharge，静电释放，是一种自然现象，冬天脱毛衣、摸金属门把手、握手等都会出现。

下面这个图是著名的“怒发冲冠”，就是由静电引起的，电荷由静电球传到头发，由于头发带的是同性电荷，相互排斥，形成了这种现象。

1.2 ESD产生原理

干燥或者摩擦下，人手易失去电子，携带正电荷；携带正电荷的人接触外部导体时，导体上的电子会向人手移动，形成一个和电子运动反向的ESD电流。

1.3 ESD危害

ESD对人体的影响并不明显，最多是麻麻的感觉。但IC受到ESD损坏，会使电子设备失效，甚至损坏。

这个是我们研究电路系统ESD防护的目的。

2. 器件级ESD模型

IC的ESD损坏可发生在任何时候，生产、装配、焊接、运输等等。

这些事件，我们可用三个不同的器件级模型模拟：人体模型（HBM）、机器模型（MM）、带电器件模型（CDM）。

2.1 人体模型（HBM）

HBM：Human Body Model，因人体在地上走动磨擦或其它因素，在人体上积累了电荷，去碰触IC时，人体上的静电便会经由PIN脚进入IC内部，再经由IC放电到地去。

HBM工业标准测试等效电路，是下面这个图。

其中，100pF是等效人体电容，1.5KΩ是等效人体放电电阻。

2.2 机器模型（MM）

MM：Machine Model，模拟自动化生产或测试机器（例如机械手臂）本身累积了相当数量的静电荷，当此机器去碰触到IC时，该静电荷便经由IC的管脚放电。

机器一般都是金属，所以MM模型的等效电阻一般是0~10Ω，也被称为0-Ω模型。

2.3 带电器件模型（CDM）

CDM：Charged Device Model，IC因磨擦或其它因素，在IC内部累积了静电，但这个过程中IC并未被损伤。此带有静电的IC PIN脚接触到地面时，其内部的静电便会经由PIN脚释放出来，而造成放电的现象。

3. 系统级ESD模型

HBM、MM、CDM，这三种模型仅用于模拟IC在制造环境下的测试。

终端用户环境是一个系统级的ESD模型，是一个更复杂、ESD能量更高的系统，对应的行业标准是IEC 61000-4-2。

 

IEC 61000-4-2规定了两种系统级测试，接触放电和空气（非接触）放电。

ESD器件符合IEC 61000-4-2标准，仅代表器件本身的防护，后级电路的防护水平要靠ESD器件的钳位电压来衡量。

4. TVS二极管

4.1 工作原理

ESD来临时，TVS会以极高的速度(ps级)形成一个低阻通路，吸收浪涌电流，将电压钳位在一个预定值，保护后端的电路。

4.2 关键参数详解

要了解一个元器件，有哪些参数，看规格书，多看规格书。

下面是一个TVS的规格书截图。重要的参数都出来了。

1、Vrwm：最大反向工作电压，也称为关断电压。

测试条件：在最大的反向电流IR下，测试出的电压, 一般Vrwm是(0.8~0.9)*Vbr。

Vrwm需要大于被保护信号的工作电压。比如3.3V的UART，TX和RX都是3.3V，选择TVS的Vrwm可以是5V。

但是不能大太多，和Vbr也有关系，大太多，可能导致TVS不起作用。需要做到电路正常工作时，TVS不触发，在浪涌来时TVS才工作。

　　审核编辑：汤梓红