ESD靜電的相關知識 TVS二極管的工作原理和關鍵參數

大家好，我是記得誠。

今天聊一聊TVS的選型，我們都知道TVS可以用來防ESD和浪涌，在介紹之前，先來講一些ESD靜電相關的知識，讓大家對整個架構都能有所了解。

1. ESD介紹

1.1 ESD簡介

ESD，英文全稱是Electro-Static discharge，靜電釋放，是一種自然現象，冬天脫毛衣、摸金屬門把手、握手等都會出現。

下面這個圖是著名的“怒發沖冠”，就是由靜電引起的，電荷由靜電球傳到頭發，由于頭發帶的是同性電荷，相互排斥，形成了這種現象。

1.2 ESD產生原理

干燥或者摩擦下，人手易失去電子，攜帶正電荷；攜帶正電荷的人接觸外部導體時，導體上的電子會向人手移動，形成一個和電子運動反向的ESD電流。

1.3 ESD危害

ESD對人體的影響并不明顯，最多是麻麻的感覺。但IC受到ESD損壞，會使電子設備失效，甚至損壞。

這個是我們研究電路系統ESD防護的目的。

2. 器件級ESD模型

IC的ESD損壞可發生在任何時候，生產、裝配、焊接、運輸等等。

這些事件，我們可用三個不同的器件級模型模擬：人體模型（HBM）、機器模型（MM）、帶電器件模型（CDM）。

2.1 人體模型（HBM）

HBM：Human Body Model，因人體在地上走動磨擦或其它因素，在人體上積累了電荷，去碰觸IC時，人體上的靜電便會經由PIN腳進入IC內部，再經由IC放電到地去。

HBM工業標準測試等效電路，是下面這個圖。

其中，100pF是等效人體電容，1.5KΩ是等效人體放電電阻。

2.2 機器模型（MM）

MM：Machine Model，模擬自動化生產或測試機器（例如機械手臂）本身累積了相當數量的靜電荷，當此機器去碰觸到IC時，該靜電荷便經由IC的管腳放電。

機器一般都是金屬，所以MM模型的等效電阻一般是0~10Ω，也被稱為0-Ω模型。

2.3 帶電器件模型（CDM）

CDM：Charged Device Model，IC因磨擦或其它因素，在IC內部累積了靜電，但這個過程中IC并未被損傷。此帶有靜電的IC PIN腳接觸到地面時，其內部的靜電便會經由PIN腳釋放出來，而造成放電的現象。

3. 系統級ESD模型

HBM、MM、CDM，這三種模型僅用于模擬IC在制造環境下的測試。

終端用戶環境是一個系統級的ESD模型，是一個更復雜、ESD能量更高的系統，對應的行業標準是IEC 61000-4-2。

IEC 61000-4-2規定了兩種系統級測試，接觸放電和空氣（非接觸）放電。

ESD器件符合IEC 61000-4-2標準，僅代表器件本身的防護，后級電路的防護水平要靠ESD器件的鉗位電壓來衡量。

4. TVS二極管

4.1 工作原理

ESD來臨時，TVS會以極高的速度(ps級)形成一個低阻通路，吸收浪涌電流，將電壓鉗位在一個預定值，保護后端的電路。

4.2 關鍵參數詳解

要了解一個元器件，有哪些參數，看規格書，多看規格書。

下面是一個TVS的規格書截圖。重要的參數都出來了。

1、Vrwm：最大反向工作電壓，也稱為關斷電壓。

測試條件：在最大的反向電流IR下，測試出的電壓, 一般Vrwm是(0.8~0.9)*Vbr。

Vrwm需要大于被保護信號的工作電壓。比如3.3V的UART，TX和RX都是3.3V，選擇TVS的Vrwm可以是5V。

但是不能大太多，和Vbr也有關系，大太多，可能導致TVS不起作用。需要做到電路正常工作時，TVS不觸發，在浪涌來時TVS才工作。