ESD和浪涌保护技术应用

在关注半导体器件以及连接器件的稳定性时，我们总会说到ESD和浪涌。ESD的本质是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果，在高速的电量传输过程中，往往会产生潜在的破坏性电压、电流。绝大多数电子元件在数百伏的电压下就会损坏，有的器件甚至不需要上百伏，在几十伏时就会损坏。浪涌同样如此，能够瞬间烧坏电路。
 
外部ESD防护的一些应用
 
当下基于先进工艺的半导体器件会提供基础的设备级的ESD保护，但这种级别的ESD规格是不足以完全保护系统中设备的，系统级别的ESD打击的能量级别会超出基础设备级ESD的防护能力，需要引入外部的ESD防护来实现整个系统的可靠性。
 
这里先看一个用于以太网物理层PHY的外部电路保护。下图示例中，需要对连接器中的Tx/Rx信号线提供4个通道的ESD保护。这些信号的电压范围从1V到2.5V，并且以太网标准下的带宽包括10mbps、100mbps、1Gbps。不同的这些速度下，对应的ESD二极管的电容需要做出调整。
 

（以太网外部电路保护，TI）

 
在以太网的电路应用中，为了在负方向提供足够的保护，一般会选择单向的外部ESD保护。另外在电容的选择上要注意，尤其是千兆以太网应用，电容＜4.5pF更合适。
 
再看看工业应用中常见的4-20-mA标准。工业传感器以4-20mA电流的形式传输它们从外部环境接收到的数据。这种4-20mA环路的电缆可能很长，ESD和浪涌脉冲可能耦合到电缆上并损坏系统。
 

（4-20mA环路电路保护，TI）

 
多数4-20mA电压都是24V，因此可以在电源（包括发射端、接收端）前面添加一个电压略高一点的二极管来进行防护。这一类空间受限类的应用，保护二极管要越小越好。
 
浪涌保护TVS与平缓钳位技术
 
TVS二极管是浪涌保护里很流行的选择，一来它并不复杂，二则是成本很低，能完成短时间内分流高电流浪涌的任务。想要实现较高的性能表现，TVS二极管的钳位系数VCL/VBR要足够低，同时响应速度必须快，在工业上的应用则更多的要考虑功率密度。在封装上，各厂商都尽可能地将其封装做得很小，毕竟较大的封装一直是TVS被人所诟病的地方。
 
如果使用TVS也不足以进行保护，这种情况又该怎么办？这种情况一般会增加串行电阻，降低保护IC I/O的钳位电压。但对于某些接口来说，添加串行电阻可能会超过标准中指定的阻抗，也有可能减少带宽，这是要注意的。
 

（TVS效果，ST）

 
TI的平缓钳位技术相比于TVS，提供了一个精确的、平坦的同时和温度无关的电压，进一步减少了系统的电压风险。根据TI给出的数据，该技术标准下的浪涌保护IC封装面积比行业标准的微型A（SMA）/微型B（SMB）小90%，与传统的基于TVS的方案相比，电容要低得多，低了五成左右。
 
该技术集成了电压传感电路、栅极驱动电路和作为主动钳的功率场效应晶体管。电压感应电路确定触发电压。当钳内的输入电压低于触发电压时，栅极驱动器和功率FET关闭。一旦输入电压高于触发电压，栅极驱动器和功率FET将打开，以锁定引脚处的电压。
 
其他问题
 
对于ESD防护来说，也不是保护电压越高越好。确定ESD保护效率的最佳参数是钳位电压，假设是30kV的ESD二极管，但是钳位电压很差，这意味着电路将会对瞬态电压更敏感。除非是车规级标准应用，才会考虑高于8kV的ESD鲁棒性。
 
有些ESD保护会添加快速恢复性能，标准ESD保护在击穿电压被激活后，其电压随电流线性增加到钳位电压。快速恢复性能意味着在保护触发后降低钳位电压。
 
小结
 
在器件端口和接口进行防护，使其免受各种瞬态过压事件的影响是提升电子器件可靠性非常重要的一环。从另一个角度来说，ESD和浪涌保护在提供足够的防护之外对系统的信号完整性也有着不小的作用。