ESD二极管的使用方法

只看该作者 · 2024-12-16 18:17

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ESD保护二极管在电路中的应用并不可少，可以有效的保护后级IC免受静电的瞬时高压而损坏，下图是典型的ESD防护方案。如果电路中出现瞬时高压，ESF二极管击穿，并将Iesd大电流分流到地，起到保护后级IC的作用。

但是ESD二极管的不正确使用，依然会造成后级芯片的损坏。由以下的注意事项需要考虑。
首先在使用ESD二极管的时候，需要明确其防护等级。钳位后的电压需要低于后级电路的最大工作电压。比如以TI的ESD321举例说明，其击穿电压最大是7.5V，钳位电压是6.8V。那么在ESD测试的时候，只要在芯片前级加了ESD321，就可以让线路电压不超过7.5V吗？

进一步查看规格书，可以看到，在进行8kv的静电测试的时候，使用了EDS321，依然会出现一个50V左右的瞬时尖峰高压，持续时间1ns左右。随后电压钳位在7V左右。

这个持续时间1ns左右的50V瞬时高压，是由于ESD二极管响应需要时间，ESD二极管从高阻变为低阻也需要动作时间。在这个时候，就需要并联电容来限制初始快速瞬态电流尖峰引起的电压，也给ESD二极管提供动作时间。这个电容也称为ESD电容，比如下图的电路板，几乎在每一个连接器pin附近都放置了电容。

随后通过仿真，并联一个1nF的去耦电容，用来限制ESD节点处IEC脉冲的尖峰电压：
不使用1nF的去耦电容，ESD二极管的电压尖峰接近130V
使用1nF的去耦电容，ESD二极管的电压尖峰仅仅是 30V
两种电路，最后的钳位电压都是7V左右，和ESD321规格书中的描述一致。

其次要考虑电路中寄生电感。需要明确ESD二极管是靠近连接器放置（ESD静电源头），还是靠近芯片放置？
这个时候，就不能再使用上图理想的应用电路，需要考虑线束，PCB走线引起的寄生电感。下图的L1和L2表示ESD源和ESD之间电路的电路
L3是ESD和地平面之间的电感
L4是ESD和后级受到保护芯片之间的电感

电感L1和L4就取决于ESD二极管靠近连接器还是芯片放置而产生的。
根据实际测试和仿真结果，ESD二极管需要靠近连接器放置。
通过构建简单的仿真模型，可以清晰的看到，ESD二极管靠近后级芯片放置，电压降低了30V左右。

随后通过实际测试8KV静电测试，ESD靠近连接器进行放置，电压尖峰降低10V左右。

这种现象，个人分析，是由于L4越大（靠近芯片），电感具有阻碍电流变化的能力，在一定程度下，IEC初始测试电流IPP=16A(100 ns TLP),先由ESD二极管吸收一部分，减缓测试电流的变化速度。随后L4再阻碍电流进一步变化，就可以减缓瞬时电流尖峰引起的电压变化。如果ESD二极管放置在靠近芯片侧，由于IEC初始测试电流变化速率很快，L1的感值小，不能对测试电流进行阻碍，随后由ESD二极管吸收。如上文分析，ESD二极管有响应时间，此时依然会出现一个较大的减压尖峰。
进行完原理图的分析，就可以指导layout设计：
1.ESD二极管的位置应尽可能地靠近连接器（目的是尽量减小L1走线的长度）。
2.减小TVS二极管后面的L2和L3的长度。
这是因为，ESD保护二极管节点的电压Vesd=Vbr+Iesd*Resd+(L2+L3)dIesd/dt
所以近可能减少L3并且要消除L2。
尽量不要在L2和L3迹线中使用导通孔（通孔）。
如果一定要打过孔，ESD源尽量先到ESD二极管，再到后级芯片。

4.尽量不要使连接ESD入口点的ESD保护型线路与非ESD保护型线路平行。
这是因为ESD源产生的dIesd/dt，很容易通过分布电容耦合到其他平行线路。如果其他布线没有ESD保护，不保护线路的感性电流就会导致系统损坏。

5.ESD源，也就是连接器到ESD二极管的布线，尽可能短的直线路径。如果需要拐角，则应以最大半径弯曲走线，如果PCB的技术不允许弯曲走线，就以45度拐角是最大角度。

ESD二极管的使用方法

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