电子阔少

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【原创】正确理解和认识ESD防静电二极管工作电压和击穿电压的关系

2021-10-5 00:42:35 显示全部楼层
在电路设计中,我们会经常使用防静电二极管ESD,但是长期以来,经常发现自己和身边的同事,或者,在面包板论坛的网友对ESD使用不当的讨论中,发现造成电路故障或ESD失效不能起到应有的防护作用,说法不一,,
最近经过深入思考,和进行几个电路设计的实际经验,查阅了一些资料,包括和ESD厂家技术进行沟通,发现了造成ESD失效或电路保护不当的问题,究其原因,还是对ESD这个器件的一些基本的参数概念不清,比较常见的参数,
工作电压和击穿电压的理解不到位,或者说是模糊认识造成的。本文就罗列有关权威专家对ESD的讲解,梳理一下如果正确理解ESD的工作电压和击穿电压的关系。说明一下所涉及的图例图示均来自互联网。

当然,说之前,对ESD是何物,到底它的参数的定义还是要有个简单介绍的。
ESD全称是Electro-Static discharge,其中文意思是“静电放电”。是指具有不同静电荷电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。,

要想使用好和掌握ESD,下面的几个参数的含义还是要贴出如下:

  • VRWM:反向截止电压、通俗地讲,就是ESD允许施加的最大工作电压,在该电压下ESD处于截止状态,此时ESD的漏电流很小,为几微安甚至更低。
  • VBR:击穿电压,击穿电压是ESD要开始动作(雪崩击穿)的电压,一般在规定的电流下测量,通常在大小为1mA的 电流下测量。
  • IR:反向漏电流,即在ESD器件两端施加VRWM电压下测得ESD的漏电流。
  • IPP:峰值脉冲电流,一般采用8/20μs的波形测量
  • VC: 钳位电压,在给定大小的IPP下测得ESD两端的电压。大部分ESD产品VC与VBR及IPP成正比关系。
  • C J:结电容,ESD的结电容与ESD的芯片面积、工作电压有关系。对于相同电压ESD产品,芯片面积越大结电容越大;对于相同芯片面积的ESD,工作电压越高结电容就越低。
其实,ESD还有很多参数,上面几个参数能理解基本上足够我们正确使用了。

先说ESD的工作电压, 也被称为反向峰值截止电压 ,以及工作电压与击穿电压的区别 。
为了说明问题,先看一下图一,是一个ESD保护电路常用的电路场景。在图1中,左边接口电路没有接ESD防护二极管之前,当带有电荷的物体,比如人的身体部位靠近或者接触这些端口时,ESD电流会释放到右边电路系统的PCB上,很容易对电路造成损害。
为了防止系统损伤 我们可以在靠近接口的位置放置一个ESD保护二极管 当ESD静电打上接口时 ESD保护二极管会将电流引向地 从而起到保护系统的作用
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图1 在接口电路和系统电路的入口出加ESD

那么,ESD保护二极管是如何在正常情况下工作的 ,图2是加的这个ESD保护二极管的电流和电压的关系曲线图,图2显示的此时是没有静电突发状态时,没有电流流过的关系曲线。
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图2没有电流流过的关系曲线
在接口信号向系统传输的过程中,如图2,可以理解为当 ESD保护二极管应该处于隐形状态 ,并且没有电流流过。

然而 当一个ESD攻击事件发生时, 二极管两端的电压超过一个称为击穿电压的特定阈值, 二极管开始导通, 并将电流分流到地,这时ESD起到了它该有的作用,有效的对系统电路进行保护。
图3当一个静电事件攻击的情况。
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图3当一个静电事件攻击的情况,电流流过的关系曲线。

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图4定义当二极管流过的电流为1毫安时

仔细观察一下这个电流电压曲线图4, 我们定义当二极管流过的电流为1毫安时 ,二极管达到击穿电压, 当输入的电压小于二极管的击穿电压时, 理想情况下二极管流过的电流应当为0。


7.jpg

图5  ESD的工作电压和击穿电压的关系


在实际ESD器件的工作电压(VRWM)与击穿电压(VBR)的区别,选择ESD器件应该选择系统工作电压小于ESD器件的工作电压(VRWM),

例如系统是0~5V,那么我们应该选择工作电压(VRWM)大于5V的TVS。




我们在实际的电路中, 一定量的电流泄露是必然存在的,如图5ESD的工作电压和击穿电压的关系可知, 将Vrwm 或者称为工作电压, 定义为电流10nA的点 ,那么工作电压值可以理解为建议的最大电压信号浮值。


有了这样的理解, 所以在一般设计中 ,当我们遇到系统的信号不要超过Vrwm, 比如信号范围是0至3.6V,选择一个Vrwm在3.6V以上的ESD二极管。
如选择的二极管工作电压小于3.6V, 就很容易会发生电流泄露,造成ESD失效,严重的会损毁系统电路。


8.jpg
图6双向和单向ESD器件的工作电压和击穿电压的图示关系。
在双向和单向ESD器件的选用上,结合ESD的保护原理,有人说单向ESD器件对于负压的保护更好,这个有时间进行一些实际电路验证。
其实,单向ESD器件和双向ESD器件,双向ESD器件可以通过正负击穿电压(VBR)的信号,而单向ESD器件只可以通过正击穿电压(VBR)的信号,如果通过负的就会造成ESD器件击穿。


最后,想注重说的是,在电路设计中,对于正确使用ESD,掌握好工作电压和击穿电压的关系的同时,一般确定VRWM 应等于或略高于电路的正常工作电压,确保ESD 的接入不会影响到正常的工作。另外,有时单独的ESD试验额定值并不是选择电容值的最佳方法。如果同时关注ESD的被测电容、击穿电压和直流偏压影响,则可以防止保护电路的过度设计和设计不足的情况。

当然使用好ESD器件,不光是能正确理解工作电压和击穿电压的关系,在选型时,还有钳位电压、结电容反向漏电流等参数需要综合考虑。

说明一下所涉及的图例图示来自互联网。
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