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。

相关链接

关于TVS二极管（ESD保护二极管）产品，请参考以下链接。

TVS二极管（ESD保护二极管）
产品
TVS二极管基础知识（ESD保护二极管）
e-Learning

返回二极管FAQ

在新窗口打开