ESD保护二极管的基本工作原理

ESD保护二极管是在静电放电 (ESD) 等引起的高压脉冲进入电路时,快速导通降低阻抗,以保护IC的元件。本文介绍这种应用中最常用的ESD保护二极管的工作原理。

目前,物联网 (IoT) 设备、智能手机和其他移动设备无处不在。随着频繁插拔USB、Lightning接口和其他线缆,这些电子设备很容易受到ESD电击,因此,提供系统级ESD保护比以往任何时候都更加重要。ESD保护二极管是一种广为人知的静电防护解决方案。下面介绍ESD保护二极管的工作原理。

ESD保护二极管利用pn结二极管的齐纳击穿*。如下图所示,pn结二极管在大约0.7 V时正向导通,在齐纳电压(VZ)处开始反向导通,齐纳电压因二极管而异。ESD保护二极管利用pn结反向偏置特性。

如图1所示,ESD保护二极管沿信号线或控制线连接在受保护器件(DUP)和暴露在ESD环境下的连接器之间。除齐纳电压(VZ)外,ESD保护二极管还具有反向偏压特性,称为反向工作峰值电压(VRWM)。VZ是ESD保护二极管导通时的最小电压,而VRWM是其保持关断状态的最大电压。ESD保护二极管总是反向偏置连接。设VIN为ESD保护二极管连接的信号线的电压。那么,当GND < VIN ≤ VRWM时,二极管不导通。

图1:ESD保护二极管插接示例
图1:ESD保护二极管插接示例
图2:ESD保护二极管等效电路
图2:ESD保护二极管等效电路
图3:pn结二极管的电流-电压曲线和工作范围
图3:pn结二极管的电流-电压曲线和工作范围

假设正常工作期间ESD浪涌进入系统。

正常工作期间,ESD保护二极管保持关断。
这种状态下,由于pn结形成耗尽区,它们充当电容器,总电容为CT。CT因二极管而异,可低至0.2 pF。

图4:正常条件下的工作原理和等效电路
图4:正常条件下的工作原理和等效电路

当施加ESD或其他过压时,ESD保护二极管导通。
此时,ESD保护二极管可视为由电压源和具有微小动态电阻(RDYN)的电阻器组成。相对于二极管正向偏置时,电压源提供正向电压(VF),当电压源相对于二极管反向偏置时,提供钳位电压(VC),即大电流区定义的齐纳电压。

图 5:ESD浪涌情况下的工作原理和等效电路
图 5:ESD浪涌情况下的工作原理和等效电路

关断状态下,ESD保护二极管充当电容器,导通状态下,充当电压源和微型电阻。选择高频线路ESD保护二极管时,还应注意总电容。
现在,我们来考虑ESD保护二极管导通时的微小动态电阻(RDYN)。
下图显示最简单的电路配置,表示电压过高(如ESD浪涌电压)情况下,电流在电路中的流动。

图6:ESD浪涌情况下的简单电路配置
图6:ESD浪涌情况下的简单电路配置

ESD保护电路与DUP并联,如上所示。因此,施加在ESD保护二极管两端的ESD浪涌电压(VESD)也加在DUP两端。(实际上,由于电路板走线的寄生电感和电容,施加到ESD保护二极管和DUP的电压和时间略有不同。)流入DUP(IPro)的电流受其内部有源电路状态的影响,并取决于VESD
因此,保护DUP最重要的是减小VESD ,这取决于ESD保护二极管的钳位电压。

图5显示导通状态下ESD保护二极管的等效电路,其中包括与钳位电压源串联的动态电阻。这意味着随着IESD增加,钳位电压产生压降。
ESD是当两个带电物体相互接触时静电突然放电。(有关详细信息,请参阅FAQ“什么是静电放电(ESD)?”)。
什么是静电放电(ESD)?

就像电容器放电一样,ESD在接触后立即释放极高的电流。例如,ESD抗扰度测试标准61000-4-2中规定的ESD波形的峰值电流高达30 A。假设ESD保护二极管的动态电阻为0.5 Ω。那么,ESD峰值电流会产生15 V 瞬时压降。
因此,为了提高保护性能,考虑到由此产生的压降,选择不仅具有低钳位电压,而且具有低动态电阻的ESD保护二极管是很重要的。

图7:ESD测试波形示例(IEC 61000-4-2)
图7:ESD测试波形示例(IEC 61000-4-2)

图7表示ESD是瞬间施加的高频脉冲。因此,应注意ESD保护二极管的位置和走线,以便获得最佳性能。
有关详细信息,请参阅FAQ“TVS二极管(ESD保护二极管)的电路板设计注意事项”。
TVS二极管(ESD保护二极管)的电路板设计注意事项

*硅pn结二极管反向偏置会发生两种击穿:齐纳击穿和雪崩击穿。这两种类型的击穿没有明显不同的机制。pn结很容易在5.6 V或更低电压下进入齐纳击穿,而雪崩击穿主要发生在较高电压下。

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