ESD介绍及TVS的原理和应用

ESD简介

静电放电即ESD（Electro-Static discharge），是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。

.1 静电积累
静电是两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个特体上而形成。当两个物体接触时，其中一个趋从于另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。有许多因素会影响电荷的积累，包括接触压力、摩擦系数和分离速度等。静电电荷会不断积累，直到造成电荷产生的作用停止、电荷被泄放或者达到足够的强度可以击穿周围物质为止。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要因之一。

.2 静电放电特性
静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产品造成干扰甚至损坏（电磁干扰）ESD引起的器件击穿，是电子工业最普遍，最严重的静电危害。

.3 静电危害

1. 引起电子设备的故障或误动作，造成电磁干扰．如：驱动电路程序被ESD打乱，出现花屏，白屏，声音不正常。
2. 击穿集成电路和精密的电子元件，半导体元件或者促使元件老化，降低生产成品率。
3. 高压静电放电造成电击，危及人身安全。
4. 在易燃易爆品或粉尘、油雾的生产场所极易引起爆炸和火灾。
5. 芯片损坏或击穿（高速端口、高阻输入端口、模拟端口等ESD电压较低）

1 ESD静电标准

一般ESD有三种类型：

第一个是人体模型，简称HBM，它模拟了在工厂环境中携带静电的人体触摸接地设备的过程，HBM的波形如绿线所示。值得一提的是HBM标准是为了衡量芯片，能否在生产、组装和运输的过程中免受ESD的损害，并非适用于日常使用的场景；

第二个是带电装置模型，简称CDM，它模拟了一个带静电的器件接触电路的情景，CDM的模拟波形如蓝线所示，CDM会在小于20ns的时间内有一个非常高的电流脉冲，和HBM相似CDM也是为了衡量芯片生产、制造过程中可能会遇到的ESD而设计的，并非适用于日常使用场景。

第三个是IEC 61000-4-2模型，这是一个为日常使用设计的标准，它可以帮助我们衡量芯片确保是否能在日常可能接触到的ESD中，免受损坏，如红色波形所示，它用了更高的电流脉冲 并且持续的时间也更长。

对于ESD有不同的等级，四级为最高级，一般在ESD芯片的手册里也会表明这些参数，下面截取了TI公司的TVS保护二极管：ESDS302, ESDS304手册的内容

2. ESD防护设计

1. 电源加TVS管
   特别是对于裸露在外的一些接口，比如USB、LVDS、网口、SD卡等，对这些接口进行接触放电时，静电很容易就会“串”到电源线上，静电由本来的共模变成了差模，此时电源上就会产生一个很高的尖峰，很多芯片都承受不了，发生死机，复位等问题。对于电源VCC的ESD保护，可以并接TVS管来解决。TVS管与稳压二极管很相似，都有一个额定的电压，不同的是它的响应速度特别快，对静电有很好的泄放作用。要注意的是布局布线的时候，TVS管要尽量靠近接口的位置，TVS的阴极以最近的路径接到接口的外壳地。

2. 敏感器件电源添加LC滤波
   有些IC特别容易受静电影响，进行ESD试验时，总是发生复位或者死掉。究其原因，一般都是电源引脚受到干扰。对此可以对其电源添加LC滤波。一般芯片的VDD管脚旁边都会有一个去耦电容，但是这个去耦电容是没有办法有效拦截静电的，甚至是几十uF的钽电容并接小电容，效果仍旧不佳。这时候，如果再串一个小电感，情况就得到很好的改观。静电放电会产生一个尖峰，同属于高频干扰，LC可以很好地将高频滤除，使通过电感之后的尖峰大大减弱，IC就不容易死机或者复位。

3. PCB铺地要求
   PCB要尽可能多的铺地。如果是双面板，两面都要大面积铺铜，而且还要有足够的地过孔；如果是四层板或以上，主要元件层的临近平面层要设置成地层。比如四层板，如果主要元件在顶层，那么分层为：顶层->地层->电源层->底层；如果主要元件在底层，分层为：顶层->电源层->地层->底层。

3 TVS介绍

TVS，瞬态抑制二极管(TVS)又叫钳位型二极管，是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的外型与普通二极管相同，但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率，它的主要特点是在反向应用条件下，当承受一个高能量的大脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，同时把电压钳制在预定水平，其响应时间仅为10-12毫秒，因此可有效地保护电子线路中的精密元器件。TVS允许的正向浪涌电流在TA＝250C，T＝10ms条件下，可达50～200A。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压钳制到预定水平， 双向TVS适用于交流电路，单向TVS一般用于直流电路。可用于防雷击、防过电压、抗干扰、吸收浪涌功率等，是一种理想的保护器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

TVS管的非线性特性比压敏电阻好，当通过TVS管的过电流增大时，TVS管的钳位电压上升速度比压敏电阻慢，因此可以获得比压敏电阻更理想的残压输出。在很多需要精细保护的电子电路中，应用TVS管是比较好的选择。TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的，一般用于最末级的精细保护，因其通流量小，一般不用于交流电源线路的保护，直流电源的防雷电路使用TVS管时，一般还需要与压敏电阻等通流容量大的器件配合使用。 TVS管便于集成，很适合在单板上使用。

3.1 TVS的参数

TVS的伏安特性曲线，下图给出的是双向TVS管。如果是单向的，是反接在电路中，特性曲线的横向正半轴不是这样。

• VBR：TVS二极管最小击穿电压。也就是在流过规定电流(IR )时，加于TVS两极的最小击穿电压；在25℃时，低于这个电压TVS是不会产生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR )时，加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR 。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5％和10％两种。为了满足IEC61000-4-2国际标准，TVS二极管必须达到可以处理最小8kV(接触)和15kV(空气)的ESD冲击，部份半导体厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。对于某些有特殊要求的可携设备应用，设计者可以依需要挑选元件。
• VRMW：正常工作时候可承受的电压。这个电压在实际应用当中应大于或等于被保护电路的正常工作电压。该电压值下对应的电流非常小，为nA级别，因此理解为：此电压表示电路正常工作时，TVS的电流非常小，也就是在电路中隐形，没有发挥作用，如果是理想状态下，该电压状态下的TVS电流应该为0。选型时，比如电路中的信号电压为3V，那么选择TVS管的Vrmw需要大于3V；如果选择Vrmw小于3V的TVS，那么在电路正常工作电压为3V时，就会有比较大的电流流进TVS，干扰电路正常工作；
• IPP：最大峰值脉冲电流。处于反向状态时， 允许通过的最大脉冲峰值电流；
• VC：钳位电压：当持续时间为20ms的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的突波抑制能力。 VC与VBR之比称为钳位因子，一般在1.2~1.4之间。 VC是二极管在截止状态提供的电压，也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则元件面临被损伤的危险。

下面结合具体的datasheet来看：

该TVS的Vrwm为3.6V，主要看测试条件，是在电流为500nA的情况下；
VBR最小击穿电压为4.5-7.5V，测试条件是在1mA的情况下；
Vclamp（浪涌钳位电压）根据不同的电流测试条件下，有不同的电压值。

举例说明Vc：
（1）网上找到的测试图片

TVS 元件与压敏电阻在8kV IEC 61000-4-2 应力冲击测试下的输出波形对比。从图中可以看出，安森美半导体的TVS 元件可以迅速将ESD 应力降低，即从8 kV 静电电压钳位到5 至6 V 的水平；但压敏电阻的曲线则下降得很慢，而且无法降到很低的水平。该曲线表明，TVS 器件的恢复时间非常短，经过TVS 器件泄漏到后面电路的能量也非常少，特别适合于便携式设备的应用。而在多重应力条件下，两者的差别就表现得更为突出。由于TVS 采用二极管工作原理，受到电击后，会立即击穿，然后关闭，对器件没有损伤，因此可以说没有寿命限制。对于压敏电阻而言，它采用的是物理吸收原理，每经过一次ESD 事件，材料就会受到一定的物理损伤，形成无法恢复的漏电通道；而且，要达到更好的吸收效果，就要使用更多的材料，使其体积增加，进而限制了在今天小型化产品当中的应用。

（2）TI公司的芯片

这是官方手册给出的浪涌电流、钳位电压以及功率的波形图，测试标准没有具体理解，8/20us代表的浪涌时间（不明白的地方是给进来的浪涌电流和电压分别为？）。根据横纵坐标可以看到电流最大达到了12A左右，最大的电压为6V左右，之后就一直下降为0（是否可以理解浪涌结束？），这两个参数与钳位电压Vclamp给出的参数基本保持一致。

疑问：假如这个测试条件是给了一个电压很高的瞬间浪涌，那么TVS可以把电压直接降到一个比较低的水平，用来保护后续电路？

（3）钳位波形

红色表示没有加入ESD保护器件，电压会有一个很高的浪涌；
蓝色表示加入了ESD保护二极管，会被钳位到 比较低的水平。

3.2 TLP曲线（传输线性脉冲曲线)
所谓的TLP 测试，就是一种利用矩形短脉(50~200 ns)来测量ESD 保护元件的电流-电压特性曲线的方法。这个短脉冲用来模拟作用于保护元件的短ESD 脉冲，而恒定阻抗的传输线路可以生成恒定幅度的方波。下图为TLP 测试的结构示意图：

TLP 测试通过方波测试脉冲加到待测器件(DUT)的两个引脚之间进行测试。TLP 测试前要先对电路中的传输线路充电，测试时将被测器件接入，传输线路通过被测器件放电。改变电路和输入电压和传输线路的长度可以模拟不同能量的ESD 脉冲，从而得到器件的ESD 大电流抑制能力。TLP 测试先从小电压脉冲开始，随后连续增加直到获得足够多的数据点，以作出完整的I-V 曲线。通常测试脉冲的幅度会加大到使DUT 彻底损伤为止，作而获得其精确的允许最大脉冲电流。

可以通过TLP曲线观察钳位电压：

举个例子当1A的电流被释放到ESD二极管，它的钳位电压大约为8.4V；当放电电流为2.7A，钳位电压为9V ；当放电电流为5.8A时 ，钳位电压为10V 。（这里可以对应上面的用不同的测试条件，来获得完整的TLP曲线）

系统会承受的钳位电压对于8000V的IEC ESD冲击而言，我们只需要看TLP曲线中16A的那一点 。对于这一个二极管而言，钳位电压大约是13.4V。TLP曲线的斜率对于理解二极管保护的好坏很重要。
绿色的曲线代表另一颗ESD保护二极管。更高的斜率代表它在对应电流时有更低的钳位电压。根据欧姆定律这条曲线的斜率为动态电阻1/Rdyn。所以 当你关注钳位电压时，选择动态电阻更小的ESD保护二极管，就代表它拥有更小的钳位电压 。

下面是TI的一款TVS芯片的TLP曲线，有一个婉转的曲线，不太明白。

3.3 寄生电容CL
在芯片的手册中命名为：Line capacitance（I/O对地或者I/O对I/O）
电容器量CL是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz频率下测得的。CL的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使讯号衰减，如下图。因此，CL是数据介面电路选用TVS的重要参数。电容器对于数据/讯号频率越高的回路，二极管的电容器对电路的干扰越大，形成噪音或衰减讯号强度，因此需要根据回路的特性来决定所选元件的电容器范围。高频回路一般选择电容器应尽量小(如LCTVS、低电容器TVS，电容器不大于3pF)，而对电容器要求不高的回路电容器选择可高于40pF。

那么，选择ESD二极管时应该选择哪种电容？不幸的是，由于每种设计都有自己的电容预算，因此不存在适合每种接口的最大ESD电容要求。但是这张表给出的几种常用接口的一般电容和ESD选型的建议。

4 TVS选型

1. 计算接口信号幅值的范围来确定ESD保护产品的工作电压；
2. 根据信号类型决定使用单向或是双向的ESD保护产品；
3. 根据信号速率决定该接口最大可接受ESD保护产品的电容；
4. 根据电路系统最大可承受电压冲击，在TLP中寻找对应的钳位电压；
5. 确保ESD保护产品可达到或超过IEC 61000-4-2 Level 4，8KV接触放电和15KV空气放电；

以USB 2.0为例

第一步是确认接口的电压范围，对USB2.0而言，Vbus 可能达到5伏，所以我们可以确定的是，需要选取的ESD保护二极管的，工作电压需要达到5伏或略微高于5伏 。正常工作中 D+和D-负责传输差分信号，幅值范围在0到3.6伏之间 ，所以我会选择工作电压在3.6伏，或者更高的ESD保护二极管。

接下来 我们需要确定ESD二极管的极性配置，在我们希望的应用中 ，因为Vbus和D+ D-都是大于等于零的正向信号 ，所以单向和双向的二极管都是有的，选择单向二极管有助于提供更好的提供负压保护。而选择双向二极管，可以提供更灵活的设计空间，因为pin脚可以自定义接地 。

接下来，我们需要确定ESD二极管，应该具有的电容，因为Vbus线路是直流电信号，电容对信号无影响 。但对于D+和D-而言，在高速USB中，信号速率可以达到480兆，所以我们需要考虑对电容的影响 。虽然最大的ESD电容还取决于，整个系统的电容总预算 ，但一般而言 我们推荐该接口的电容小于2.5pF ，如果系统中其器件具有更高的电容值 ，那么此处可能需要选择更小电容的二极管。

接下来 我们看看保护系统所需的钳位电压 ，在这种情况下，我们需要考虑USB switch和Battery Charger能承受的最大电压冲击 ，我们假设battery charger在TLP脉冲20伏时，会发生故障 USB。switch在TLP16脉冲16伏时会发生故障，这意味着为了保护battery charger ，顺利通过8000伏的IEC ESD冲击，ESD二极管必须在16安，TLP又小于20伏的钳位电压。同理 为了保护USB switch，ESD二极管必须在16安TLP时 ，有小于16伏的钳位电压。

4 手机ESD防护

手机电路中需要进行ESD防护的部位有：SIM 卡插座与CPU 读卡电路、键盘电路、耳机、麦克风电路、电源接口、数据接口、USB 接口、彩屏LCD 驱动接口。

4.1 壳体的设计

1. 尽量增加壳体的厚离，即增加外壳到电路板之间的距离，或者通过一些等效方法增加壳体气隙的距离，这样可以避免或者大大减少ESD 的能量强度。通过结构的改进，可以增大外壳到内部电路之间气隙的距离从而使 ESD 的能量大大减弱。根据试验，8kV 的ESD 在通过过4mm 的距离后能量一般衰减为零。
2. 可以用 EMI 油漆喷涂在壳体的内侧。EMI 油漆是导电的，可以看成是一个金属的屏蔽层，这样可以将静电导在壳体上；再将壳体与PCB（Printed Circuit Board）的地连接，将静电从地导走。这样处理的方法除了可以防止静电，还能有效抑制EMI 的干扰。如果有足够的空间，还可以用一个金属屏蔽罩将其中的电路保护起来，金属屏蔽罩再连接PCB 的GND。用金属屏蔽罩将 LCD 模块保护起来的例子。

4.2 手机PCB设计
因为手机通常是多层板，有高频信号，在设计时布局、布线有很多需要注意的地方。

4.3 电路设计
在壳体和 PCB 的设计中，对ESD 问题加以注意之后，ESD 还会不可避免地进入到手机电路中，尤其是以下几个部件：SIM 卡的CPU 读卡电路、键盘电路、耳机、麦克风电路、数据接口、电源接口、USB 接口、彩屏LCD 驱动接口，这些部位很可能将人体的静电引入手机中。所以，需要在这些部分中使用ESD 防护器件。

5 总结

总之，静电的防护是一个系统工程，从静电的产生、静电的积累、静电的释放、静电释放的路径的选择和释放静电的量的控制全方位考虑，但是因为静电破坏的复杂性，至今还没有一个很好的方法去完全解决静电问题。但是这也不代表我们对静电问题束手无策，在静电保护的过程中，我们只要遵循一个原则：静电的积累必然有静电的释放，所以我们只要给静电选好放电的路径和放电的去处即放电地，就能很好的进行静电的释放。