如何选择ESD保护元件

本文将分析系统设计师可以采用的一些保护产品类型，并比较它们的特性。为了确保系统在遭受ESD事件时的鲁棒性，必须按照IEC 61000-4-2等标准来测试这些产品。系统设计师采用多种方法来确保产品符合主流的ESD标准，包括解决外壳设计、电路板设计、元件选择，甚至是软件修复。其中一个重要的方法是在输入和输出(I/O)连接器等关键电路节点处使用保护元件。ESD保护元件通常称作瞬态电压抑制器(TVS)。

TVS的ESD保护原理

许多集成电路(IC)都有一些可能比较敏感的输入，这使得它们在输入电压远高于正常值的的情况下(例如在ESD应力作用下)易于受损。正常工作电压与使器件开始受损的电压之间的区域是安全过压区。安全过压区与器件受损区之间有少许交叠，因为如果较大的过压仅持续极短时间，那么即使不是在安全过压区，器件可能也可以承受。TVS的任务就是发生ESD事件时，将输入电压维持在安全过压范围之内，而在正常工作时不影响系统性能。TVS器件被放置于邻近ESD事件可能进入系统的位置，旨在限制敏感节点处的电压，并将电流引至不太敏感的节点，如地电平。为实现这个功能，TVS必须在正常工作电压范围内拥有高阻抗,在正常工作电压范围之外拥有低阻抗，这样才能将电流直接从敏感节点引开，并限制瞬态电压。

对TVS的基本要求与具体应用有关，但一般情况下有如下要求：(1)能够在期望的ESD应力下正常工作；(2)在正常电压范围内具有高阻抗(低泄漏)；(3)在正常电压范围之外呈低阻抗；(4)导通电压适合应用；(5)在遭受应力期间可快速地从高阻抗转换至低阻抗(6)电容对目标应用而言不太高。在比较具体的TVS器件类型之前，需要理解两种分类。

单向与双向保护：单向和双向TVS器件都能抑制正向和负向应力。依据TVS维持高阻抗、低泄漏状态的电压范围，可以最好地理解这两个术语的不同。这种电压范围决定了TVS器件能保护的电路节点类型。双向TVS具有相对于零伏电压的对称特性(图1)。双向器件最适合保护电压基于零伏对称或双向的电路节点。单向TVS产品具有相对零伏电压不对称的特性。单向TVS器件极适合保护电压极性始终相同的电路节点，如0到5伏这样的单极性电压。

电压箝位与消弧：电压箝位器件的工作原理是从低电压时的高阻抗转换至高于导通电压时的低阻抗，且没有负阻抗区域(图2)。这器件通过提供接地的低阻抗通道，对高于导通电压的电压进行箝位。消弧(crowbar)器件在低电压时也呈高阻抗，但当电压较高时触发新的导通机制，使电流增大，并伴随着电压下降。因此，消弧器件拥有负阻抗区域。某些消弧器件的触发电压可能非常高。如果消弧TVS触发器的速度足够快，就可以经常提供保护，即便电压已经达到可能导致器件损坏的电平。消弧器件有时也称作“骤回”器件，因为电压骤然下降。

ESD TVS器件采用的技术主要有三种：压敏电阻、聚合物和硅二极管，每种技术各有其独特特性。