如何选择ESD保护元件？一篇文章告诉你

TDK电子

最新更新时间：2024-01-04

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随着信号传输速度的提高和供电电压的降低，集成电路对瞬态ESD更加敏感。电路中连接的设备也日益增多，因此保护更广泛系统中每个设备免受ESD的影响就变得更加重要。那么， 为ESD保护选择正确的元件时需要考虑哪些因素？

随着物联网 (IoT) 不断扩展，分析师预测未来几年将有多达数十亿的电子设备上线。通用电子设备总数甚至更高。这些设备中有许多将在我们生活中发挥重要作用，例如实现家庭自动化的消费设备。还有一些嵌入式装置可能被深深隐藏起来，难以被察觉，例如嵌入到车辆内部和智能楼宇内部。所有这些设备都容易受到静电放电 (ESD) 的影响。随着物联网的包容范围逐渐扩大，这数十亿设备中的任何一部分都可能变得至关重要。鉴于此，这些设备的ESD保护设计变得更加重要。

即使PCB组装好并安装到设备中，ESD仍然是引发故障的主要原因之一。现代化集成设备设计得足够坚固，以确保在操作过程中几乎不会发生故障。这对操作条件提出了重大挑战。虽然工程师能考虑到湿度、温度和振动等极端环境条件，但大部分ESD仍然是不可预测的。所以，最好的方法是充分保护设备免受静电放电的影响 IEC 61000-4-2等标准按照测试所用放电电压强度定义了保护级别，比如IEC 61000-4-2针对±2 kV的接触放电和空气放电电压，而第4级则规定了±8 kV的接触放电和±15 kV的空气放电。为确保可重复的结果，这些标准中还精确规定了放电方法和测试瞬态的波形。测试过程中广泛采用的人体模型在MIL-STD-883和JEDEC JS-001等标准给出了定义。

ESD对电子元件的影响

按照行业惯例，制造商通常采用黄色和黑色警示符来标识静电敏感设备。集成电路以具有绝缘栅的金属氧化物半导体晶体管为基础，是公认的静电敏感设备。此外，随着供电电压不断降低（广泛用于降低功耗的技术），元件的固有ESD保护性能会进一步降低。

现在几乎所有的通用集成电路都基于CMOS工艺，并且许多导轨的供电电压仅为1V甚至更低。这使得集成电路更容易受到瞬态ESD的影响。一旦集成电路暴露于高电压和大电流放电条件下，部分可能会立即被破坏或轻微受损，从而极大地缩短了其使用寿命。鉴于受影响的严重程度各不相同，评估集成电路的健康状态就变得更加困难。

瞬态条件可能转瞬即逝，不造成任何损坏，也可能对互联造成不可修复地破坏。考虑到基板、引线框架和封装的性质，很难在集成电路中集成充分的ESD保护功能。因此，必须在外部添加此类保护元件，并放置在能及时拦截放电的位置。通常，这意味着保护须尽可能靠近薄弱点。

随着设计实践的改变，了解这些新特性会如何影响所选保护元件的类型至关重要。通常情况下，选择是多样性的，但某些设计特性（如高速串行总线）会限制某些ESD元件的有效性或适用性。必须根据待保护信号的特性评估插入损耗和击穿电压等参数，以保证保护始终发挥作用。

关于ESD保护元件

ESD保护元件基本上基于半导体或陶瓷材料。其中半导体为瞬态电压抑制器 (TVS) 的形式，基本上是二极管（图1），而陶瓷材料则为压敏电阻的形式。现代压敏电阻通常为带有一定电容的多层元件（MLV；图2），可能很有用，但也可能影响高速总线的切换动作。若插入电容不存在这样的限制，多层陶瓷电容器 (MLCC) 也适用于ESD保护。

图1：瞬态电压抑制器 (TVS) 基本上是用于ESD保护的二极管。

图2：多层陶瓷压敏电阻 (MLV) 也适用于ESD保护。

由电容引起的插入损耗是决定采用基于半导体的TVS还是基于陶瓷的MLV元件的关键因素。虽然很多情况下这两种解决方案基本可以互换使用，但具体到应用应考虑各个元件的不同插入损耗，比如对于速度为1 Mb/s信号，保护装置在0.5 MHz频率下应具有较低的插入损耗。详细说明请参见数据表。

此外，压敏电阻的电容也可作为电路层面抗电磁干扰 (EMI) 措施的一部分。截止到目前，这个特性很少被使用。不过随着制造商生产技术的改良，能够更好地控制压敏电阻的电容公差。因此，电容可作为EMI滤波器的一部分。MLV的电容可从1到100 pF不等，并且超高电容压敏电阻 (SHCV) 的电容甚至更高，远超TVS二极管。

不同ESD保护选项比较

由于这两种元件吸收瞬态过电压的方式不同，工程师可在许多应用中将TVS和MLV解决方案用作互为替代的方案。它们的尺寸通常相似，占板空间也几乎相同，而且由于体积小，可靠近潜在的ESD排放点安装，比如外部接口或充电口。

图3： ESD 技术选型指南

如图3中的图表所示，MLV涵盖的应用领域比TVS二极管更广，并且有商业级和汽车级两种规格。以下考虑因素可以帮助设计工程师进行更详细的比较。

工作电压： 若尺寸相差不大，MLV和TVS的响应时间可能近似（均为几纳秒），并且对过电压的保护效果类似（见图4）。不过，TVS二极管的击穿电压较低，能更快地限制瞬态电压，因此更适合电压较低的应用。
鲁棒性： 随着工作温度的增加，TVS元件的性能会下降。但基于陶瓷材料MLV更为坚固，并且在高达+150℃的温度下工作性能也不会下降。相比之下，基于半导体的TVS二极管的性能在温度超过+25℃时就开始下降。

成熟度和成本： 这两种技术都很成熟，但此前MLV的全球产量较低，因此更昂贵。不过，其新开发出了尺寸更小的元件，因此在可穿戴设备等小型应用中更具吸引力。另外，随着产量的不断增加，其平均售价已降低到具有可比性和竞争力的水平。

电容和电磁干扰 (EMI) 滤波： 由于MLV的寄生电容可在制造过程中控制，不仅可提供ESD保护，还能抑制EMI，可用于取代两个独立的元件（TVS二极管和MLCC电容器），从而节省了占板空间。在不增加加工成本的前提下，无法像控制MLV的电容那样控制TVS二极管的电容。（见图5）

图4： TVS和MLV在过电压事件时的反应

图5： ESD陷波滤波器的功能

插入损耗： 这很大程度上取决于元件的电容和被保护线路上的信号频率。结果是频率（比如>1 GHz）越高，相关性更紧密，并需要具有最低电容的解决方案。在较低电压下，可能TVS二极管更适用，但在较高电压下，MLV会更具优势。
漏电流： 这一因素并非选择MLV或TVS二极管的主要设计考虑因素。这两种技术都存在一定的漏电流，并且相差不大。
物理尺寸： 随着MLV技术的发展，制造工艺变得更加复杂。MLV现在可提供与多层陶瓷电容器 (MLCC) 类似的尺寸，并且有望进一步减小。但需谨记，元件可提供的保护水平仍然与其物理尺寸成正比。目前，01005是TVS和MLV技术可实现的最小封装尺寸。
可互换性： 在低频和低电压信号线的应用中，这两种技术能以相同的占板空间提供类似的ESD保护等级。而随着应用频率的增加，TVS会变得更适用。但随着电压的升高，MLV则是更好的选择。设计团队必须仔细研究应用和可用元件，以确定最合适的技术。