ESD介紹及TVS的原理和應用

0 ESD簡介

靜電放電即ESD（Electro-Static discharge），是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移。

.1 靜電積累

靜電是兩種介電系數不同的物質磨擦時，正負極性的電荷分別積累在兩個特體上而形成。當兩個物體接觸時，其中一個趨從于另一個吸引電子，因而二者會形成不同的充電電位。有許多因素會影響電荷的積累，包括接觸壓力、摩擦系數和分離速度等。靜電電荷會不斷積累，直到造成電荷產生的作用停止、電荷被泄放或者達到足夠的強度可以擊穿周圍物質為止。就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦發生的靜電是人體帶電的主要因之一。

.2 靜電放電特性

靜電放電產生的電磁場幅度很大（達幾百伏/米）頻譜極寬（從幾十兆到幾千兆），對電子產品造成干擾甚至損壞（電磁干擾）ESD引起的器件擊穿，是電子工業最普遍，最嚴重的靜電危害。

靜電對電子產品損害的特點隱蔽性：人體不能直接感知靜電，除非發生靜電放電。人體也不一定能有電擊的感覺，這是因為人體感知的靜電放電電壓為2~3KV，所以靜電具有隱蔽性。

潛在性：有些電子元器件受到靜電損傷后的性能沒有明顯的下降，但多次積累放電會給器件造成內傷而形成隱患。因此靜電對器件的損傷具有潛在性。

隨機性：電子元件什么情況下會遭受靜電破壞呢？可以這么說，從一個元件產生以后，一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產生也具有隨機性，其損壞也具有隨機性。

復雜性：靜電放電損傷的實效分析工作，因電子產品的精，細，微小的結構特點而費時，費事，要求較高的技術并往往需要使用掃描電鏡等高精密儀器。

.3 靜電危害

引起電子設備的故障或誤動作，造成電磁干擾．如：驅動電路程序被ESD打亂，出現花屏，白屏，聲音不正常。

擊穿集成電路和精密的電子元件，半導體元件或者促使元件老化，降低生產成品率。

高壓靜電放電造成電擊，危及人身安全。

在易燃易爆品或粉塵、油霧的生產場所極易引起爆炸和火災。

芯片損壞或擊穿（高速端口、高阻輸入端口、模擬端口等ESD電壓較低）

1 ESD靜電標準

一般ESD有三種類型：

第一個是人體模型，簡稱HBM，它模擬了在工廠環境中攜帶靜電的人體觸摸接地設備的過程，HBM的波形如綠線所示。值得一提的是HBM標準是為了衡量芯片，能否在生產、組裝和運輸的過程中免受ESD的損害，并非適用于日常使用的場景；

第二個是帶電裝置模型，簡稱CDM，它模擬了一個帶靜電的器件接觸電路的情景，CDM的模擬波形如藍線所示，CDM會在小于20ns的時間內有一個非常高的電流脈沖，和HBM相似CDM也是為了衡量芯片生產、制造過程中可能會遇到的ESD而設計的，并非適用于日常使用場景。

第三個是IEC 61000-4-2模型，這是一個為日常使用設計的標準，它可以幫助我們衡量芯片確保是否能在日?？赡芙佑|到的ESD中，免受損壞，如紅色波形所示，它用了更高的電流脈沖 并且持續的時間也更長。

對于ESD有不同的等級，四級為最高級，一般在ESD芯片的手冊里也會表明這些參數，下面截取了TI公司的TVS保護二極管：ESDS302, ESDS304手冊的內容。

2. ESD防護設計

電源加TVS管

特別是對于裸露在外的一些接口，比如USB、LVDS、網口、SD卡等，對這些接口進行接觸放電時，靜電很容易就會“串”到電源線上，靜電由本來的共模變成了差模，此時電源上就會產生一個很高的尖峰，很多芯片都承受不了，發生死機，復位等問題。對于電源VCC的ESD保護，可以并接TVS管來解決。TVS管與穩壓二極管很相似，都有一個額定的電壓，不同的是它的響應速度特別快，對靜電有很好的泄放作用。要注意的是布局布線的時候，TVS管要盡量靠近接口的位置，TVS的陰極以最近的路徑接到接口的外殼地。

敏感器件電源添加LC濾波

有些IC特別容易受靜電影響，進行ESD試驗時，總是發生復位或者死掉。究其原因，一般都是電源引腳受到干擾。對此可以對其電源添加LC濾波。一般芯片的VDD管腳旁邊都會有一個去耦電容，但是這個去耦電容是沒有辦法有效攔截靜電的，甚至是幾十uF的鉭電容并接小電容，效果仍舊不佳。這時候，如果再串一個小電感，情況就得到很好的改觀。靜電放電會產生一個尖峰，同屬于高頻干擾，LC可以很好地將高頻濾除，使通過電感之后的尖峰大大減弱，IC就不容易死機或者復位。

PCB鋪地要求

PCB要盡可能多的鋪地。如果是雙面板，兩面都要大面積鋪銅，而且還要有足夠的地過孔；如果是四層板或以上，主要元件層的臨近平面層要設置成地層。比如四層板，如果主要元件在頂層，那么分層為：頂層->地層->電源層->底層；如果主要元件在底層，分層為：頂層->電源層->地層->底層。

3 TVS介紹

TVS，瞬態抑制二極管(TVS)又叫鉗位型二極管，是目前國際上普遍使用的一種高效能電路保護器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達數千瓦的浪涌功率，它的主要特點是在反向應用條件下，當承受一個高能量的大脈沖時，其工作阻抗立即降至極低的導通值，從而允許大電流通過，同時把電壓鉗制在預定水平，其響應時間僅為10-12毫秒，因此可有效地保護電子線路中的精密元器件。TVS允許的正向浪涌電流在TA＝250C，T＝10ms條件下，可達50～200A。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率，并把電壓鉗制到預定水平， 雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路?？捎糜诜览讚?、防過電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等，是一種理想的保護器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當通過TVS管的過電流增大時，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細保護的電子電路中，應用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護器中是最小的，一般用于最末級的精細保護，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護，直流電源的防雷電路使用TVS管時，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。TVS管便于集成，很適合在單板上使用。

3.1 TVS的參數

TVS的伏安特性曲線，下圖給出的是雙向TVS管。如果是單向的，是反接在電路中，特性曲線的橫向正半軸不是這樣。

VBR：TVS二極管最小擊穿電壓。也就是在流過規定電流(IR )時，加于TVS兩極的最小擊穿電壓；在25℃時，低于這個電壓TVS是不會產生雪崩的。當TVS流過規定的1mA電流(IR )時，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR 。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把VBR分為5％和10％兩種。為了滿足IEC61000-4-2國際標準，TVS二極管必須達到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊，部份半導體廠商在自己的產品上使用了更高的抗沖擊標準。對于某些有特殊要求的可攜設備應用，設計者可以依需要挑選元件。

VRMW：正常工作時候可承受的電壓。這個電壓在實際應用當中應大于或等于被保護電路的正常工作電壓。該電壓值下對應的電流非常小，為nA級別，因此理解為：此電壓表示電路正常工作時，TVS的電流非常小，也就是在電路中隱形，沒有發揮作用，如果是理想狀態下，該電壓狀態下的TVS電流應該為0。選型時，比如電路中的信號電壓為3V，那么選擇TVS管的Vrmw需要大于3V；如果選擇Vrmw小于3V的TVS，那么在電路正常工作電壓為3V時，就會有比較大的電流流進TVS，干擾電路正常工作；

IPP：最大峰值脈沖電流。處于反向狀態時， 允許通過的最大脈沖峰值電流；

VC：鉗位電壓：當持續時間為20ms的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱為鉗位因子，一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止狀態提供的電壓，也就是在ESD沖擊狀態時通過TVS的電壓，它不能大于被保護回路的可承受極限電壓，否則元件面臨被損傷的危險。

下面結合具體的datasheet來看：

該TVS的Vrwm為3.6V，主要看測試條件，是在電流為500nA的情況下；

VBR最小擊穿電壓為4.5-7.5V，測試條件是在1mA的情況下；

Vclamp（浪涌鉗位電壓）根據不同的電流測試條件下，有不同的電壓值。

舉例說明Vc：

（1）網上找到的測試圖片

TVS 元件與壓敏電阻在8kV IEC 61000-4-2 應力沖擊測試下的輸出波形對比。從圖中可以看出，安森美半導體的TVS 元件可以迅速將ESD 應力降低，即從8 kV 靜電電壓鉗位到5 至6 V 的水平；但壓敏電阻的曲線則下降得很慢，而且無法降到很低的水平。該曲線表明，TVS 器件的恢復時間非常短，經過TVS 器件泄漏到后面電路的能量也非常少，特別適合于便攜式設備的應用。而在多重應力條件下，兩者的差別就表現得更為突出。由于TVS 采用二極管工作原理，受到電擊后，會立即擊穿，然后關閉，對器件沒有損傷，因此可以說沒有壽命限制。對于壓敏電阻而言，它采用的是物理吸收原理，每經過一次ESD 事件，材料就會受到一定的物理損傷，形成無法恢復的漏電通道；而且，要達到更好的吸收效果，就要使用更多的材料，使其體積增加，進而限制了在今天小型化產品當中的應用。

（2）TI公司的芯片

這是官方手冊給出的浪涌電流、鉗位電壓以及功率的波形圖，測試標準沒有具體理解，8/20us代表的浪涌時間（不明白的地方是給進來的浪涌電流和電壓分別為？）。根據橫縱坐標可以看到電流最大達到了12A左右，最大的電壓為6V左右，之后就一直下降為0（是否可以理解浪涌結束？），這兩個參數與鉗位電壓Vclamp給出的參數基本保持一致。

疑問：假如這個測試條件是給了一個電壓很高的瞬間浪涌，那么TVS可以把電壓直接降到一個比較低的水平，用來保護后續電路？

（3）鉗位波形

紅色表示沒有加入ESD保護器件，電壓會有一個很高的浪涌；

藍色表示加入了ESD保護二極管，會被鉗位到 比較低的水平。

3.2 TLP曲線（傳輸線性脈沖曲線)

所謂的TLP 測試，就是一種利用矩形短脈(50~200 ns)來測量ESD 保護元件的電流-電壓特性曲線的方法。這個短脈沖用來模擬作用于保護元件的短ESD 脈沖，而恒定阻抗的傳輸線路可以生成恒定幅度的方波。下圖為TLP 測試的結構示意圖：

TLP 測試通過方波測試脈沖加到待測器件(DUT)的兩個引腳之間進行測試。TLP 測試前要先對電路中的傳輸線路充電，測試時將被測器件接入，傳輸線路通過被測器件放電。改變電路和輸入電壓和傳輸線路的長度可以模擬不同能量的ESD 脈沖，從而得到器件的ESD 大電流抑制能力。TLP 測試先從小電壓脈沖開始，隨后連續增加直到獲得足夠多的數據點，以作出完整的I-V 曲線。通常測試脈沖的幅度會加大到使DUT 徹底損傷為止，作而獲得其精確的允許最大脈沖電流。

可以通過TLP曲線觀察鉗位電壓：

舉個例子當1A的電流被釋放到ESD二極管，它的鉗位電壓大約為8.4V；當放電電流為2.7A，鉗位電壓為9V ；當放電電流為5.8A時 ，鉗位電壓為10V 。（這里可以對應上面的用不同的測試條件，來獲得完整的TLP曲線）

系統會承受的鉗位電壓對于8000V的IEC ESD沖擊而言，我們只需要看TLP曲線中16A的那一點 。對于這一個二極管而言，鉗位電壓大約是13.4V。TLP曲線的斜率對于理解二極管保護的好壞很重要。

綠色的曲線代表另一顆ESD保護二極管。更高的斜率代表它在對應電流時有更低的鉗位電壓。根據歐姆定律這條曲線的斜率為動態電阻1/Rdyn。所以 當你關注鉗位電壓時，選擇動態電阻更小的ESD保護二極管，就代表它擁有更小的鉗位電壓 。

下面是TI的一款TVS芯片的TLP曲線，有一個婉轉的曲線，不太明白。

3.3 寄生電容CL

在芯片的手冊中命名為：Line capacitance（I/O對地或者I/O對I/O）

電容器量CL是由TVS雪崩結截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測得的。CL的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使訊號衰減，如下圖。因此，CL是數據介面電路選用TVS的重要參數。電容器對于數據/訊號頻率越高的回路，二極管的電容器對電路的干擾越大，形成噪音或衰減訊號強度，因此需要根據回路的特性來決定所選元件的電容器范圍。高頻回路一般選擇電容器應盡量小(如LCTVS、低電容器TVS，電容器不大于3pF)，而對電容器要求不高的回路電容器選擇可高于40pF。

那么，選擇ESD二極管時應該選擇哪種電容？不幸的是，由于每種設計都有自己的電容預算，因此不存在適合每種接口的最大ESD電容要求。但是這張表給出的幾種常用接口的一般電容和ESD選型的建議。

4 TVS選型

計算接口信號幅值的范圍來確定ESD保護產品的工作電壓；

根據信號類型決定使用單向或是雙向的ESD保護產品；

根據信號速率決定該接口最大可接受ESD保護產品的電容；

根據電路系統最大可承受電壓沖擊，在TLP中尋找對應的鉗位電壓；

確保ESD保護產品可達到或超過IEC 61000-4-2 Level 4，8KV接觸放電和15KV空氣放電；

以USB 2.0為例

第一步是確認接口的電壓范圍，對USB2.0而言，Vbus 可能達到5伏，所以我們可以確定的是，需要選取的ESD保護二極管的，工作電壓需要達到5伏或略微高于5伏 。正常工作中 D+和D-負責傳輸差分信號，幅值范圍在0到3.6伏之間 ，所以我會選擇工作電壓在3.6伏，或者更高的ESD保護二極管。

接下來 我們需要確定ESD二極管的極性配置，在我們希望的應用中 ，因為Vbus和D+ D-都是大于等于零的正向信號 ，所以單向和雙向的二極管都是有的，選擇單向二極管有助于提供更好的提供負壓保護。而選擇雙向二極管，可以提供更靈活的設計空間，因為pin腳可以自定義接地 。

接下來，我們需要確定ESD二極管，應該具有的電容，因為Vbus線路是直流電信號，電容對信號無影響 。但對于D+和D-而言，在高速USB中，信號速率可以達到480兆，所以我們需要考慮對電容的影響 。雖然最大的ESD電容還取決于，整個系統的電容總預算 ，但一般而言 我們推薦該接口的電容小于2.5pF ，如果系統中其器件具有更高的電容值 ，那么此處可能需要選擇更小電容的二極管。

接下來 我們看看保護系統所需的鉗位電壓 ，在這種情況下，我們需要考慮USB switch和Battery Charger能承受的最大電壓沖擊 ，我們假設battery charger在TLP脈沖20伏時，會發生故障 USB。switch在TLP16脈沖16伏時會發生故障，這意味著為了保護battery charger ，順利通過8000伏的IEC ESD沖擊，ESD二極管必須在16安，TLP又小于20伏的鉗位電壓。同理 為了保護USB switch，ESD二極管必須在16安TLP時 ，有小于16伏的鉗位電壓。

4 手機ESD防護

手機電路中需要進行ESD防護的部位有：SIM 卡插座與CPU 讀卡電路、鍵盤電路、耳機、麥克風電路、電源接口、數據接口、USB 接口、彩屏LCD 驅動接口。

4.1 殼體的設計

盡量增加殼體的厚離，即增加外殼到電路板之間的距離，或者通過一些等效方法增加殼體氣隙的距離，這樣可以避免或者大大減少ESD 的能量強度。通過結構的改進，可以增大外殼到內部電路之間氣隙的距離從而使 ESD 的能量大大減弱。根據試驗，8kV 的ESD 在通過過4mm 的距離后能量一般衰減為零。

可以用 EMI 油漆噴涂在殼體的內側。EMI 油漆是導電的，可以看成是一個金屬的屏蔽層，這樣可以將靜電導在殼體上；再將殼體與PCB（Printed Circuit Board）的地連接，將靜電從地導走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI 的干擾。如果有足夠的空間，還可以用一個金屬屏蔽罩將其中的電路保護起來，金屬屏蔽罩再連接PCB 的GND。用金屬屏蔽罩將 LCD 模塊保護起來的例子。

4.2 手機PCB設計

因為手機通常是多層板，有高頻信號，在設計時布局、布線有很多需要注意的地方。

4.3 電路設計

在殼體和 PCB 的設計中，對ESD 問題加以注意之后，ESD 還會不可避免地進入到手機電路中，尤其是以下幾個部件：SIM 卡的CPU 讀卡電路、鍵盤電路、耳機、麥克風電路、數據接口、電源接口、USB 接口、彩屏LCD 驅動接口，這些部位很可能將人體的靜電引入手機中。所以，需要在這些部分中使用ESD 防護器件。

5 總結

總之，靜電的防護是一個系統工程，從靜電的產生、靜電的積累、靜電的釋放、靜電釋放的路徑的選擇和釋放靜電的量的控制全方位考慮，但是因為靜電破壞的復雜性，至今還沒有一個很好的方法去完全解決靜電問題。但是這也不代表我們對靜電問題束手無策，在靜電保護的過程中，我們只要遵循一個原則：靜電的積累必然有靜電的釋放，所以我們只要給靜電選好放電的路徑和放電的去處即放電地，就能很好的進行靜電的釋放。

審核編輯：湯梓紅