ESD静电二极管的基本工作原理
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2025-12-07 22:37:41
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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静电二极管是一种广为人知的静电防护解决方案。下面介绍ESD静电二极管的工作原理。

ESD静电二极管利用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静电二极管利用pn结反向偏置特性。

如图1所示,ESD静电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静电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静电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静电二极管总是反向偏置连接。设VIN为ESD静电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2:ESD保护二极管插接示例

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静电二极管保持关断。

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

当施加ESD或其他过压时,ESD静电二极管导通。

此时,ESD静电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

关断状态下,ESD静电二极管充当电容器,导通状态下,充当电压源和微型电阻。选择高频线路ESD静电二极管时,还应注意总电容。

现在,我们来考虑ESD静电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

ESD保护电路与DUP并联,如上所示。因此,施加在ESD静电二极管两端的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静电二极管和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静电二极管的钳位电压。

图5显示导通状态下ESD静电二极管的等效电路,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静电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静电二极管是很重要的。

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”。

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