ESD保护电路和原理

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在硬件设计电路中我们常常需要设计ESD保护电路，尤其是在接口电路中和通讯总线上。我们可以设计不同的电路用来保护器件免受 ESD的影响。 二极管钳位和 SCR（silicon-controlled rectifier）硅控整流桥就是两个常见的电路示例。

二极管钳位

SCR

二极管钳位的工作原理是正向偏置二极管或者利用二极管的反向击穿电压以使ESD 冲击放电。

SCR 的工作原理是当瞬态输入电压很大时电路生成闩锁效应。 触发后，SCR将起作用使得被保护接口连接到地，直至完全放电。 从上面的结构可以看出两个二极管导通后他的放电回路的电容会非常小，常常用在高速电路中。

SCR算是比较特殊的ESD器件，一方面因为其属于非常规器件，大部分情况下需要设计人员自己设计器件，这就会带来设计上的风险。另外它拥有较高的触发电压和较低的保持电压。较高的触发电压使得SCR难以触发，而较低的保持电压使得SCR极易进入闩锁状态。

虽然这两种电路很常见， 但在每个设计中并不完全相同。 然而，所有 ESD电路的核心原理仍然是相同的。

即使相对较小的 ESD也会给不受保护的集成电路造成严重损坏。 普通的集成电路一般最大只能承受大约 7 伏的电压， 而普通人只有在 ESD 放电超过 3,000 伏时才有感觉。所以ESD保护对于器件的安全使用至关重要

ESD测试

根据静电的产生方式以及对电路的损伤模式不同通常分为四种测试方式： 人体放电模式(HBM: Human-Body Model)、机器放电模式(Machine Model)、元件充电模式(CDM: Charge-Device Model)、电场感应模式(FIM: Field-Induced Model)，但是业界通常使用前两种模式来测试(HBM, MM)。

ESD 保护分为两类。 器件级保护和系统级保护。

在制造过程中保护单个集成电路器件叫作器件级保护。 这种类型的保护非常有限， 一般制造商在芯片制造中已采取 ESD 预防措施。 大多数标准逻辑器件都使用这类保护， 并在数据表中通过人体放电模型 HBM 和充电器件模型 CDM 加以说明。 比如下面的数据手册中就根据标准定义了是HBM的class 2，和CDM的class 3.

ESD保护等级

系统级保护通常会满足 IEC 61000-4-2 标准， 这项标准旨在保护系统免受正常使用下人为操作的损坏。 这种类型的保护通常是在生产过程中添加到电路板上的， 并且只有在最终 终端产品保护端口时才会有效。

几乎所有逻辑器件 都有相似的内部结构。

逻辑电路的内部结构

每个输入都有器件级 ESD 保护， 然后是输入缓冲器， 它可驱动内部逻辑 功能。 此内部逻辑功能控制输出驱动器， 后者也具有 器件级 ESD 保护。

具有额外的系统级保护的器件， 例如 TXB0101，可以在芯片与接口之间形成系统级的保护。

TXB0101应用图

所以我们在设计中一定要关注器件的ESD等级，然后跟我们的产品的不同，选择不同的系统级的ESD保护方案