esd保护二极管电路图，esd保护方法
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本文主要讨论何时何地使用ESD 保护电路。
每个工程师都知道，设计过程中会考虑ESD，并且通常会使用TVS 二极管。但重要的是您需要多少保护以及何时不再需要它。在本文中，我们将对电路进行仿真。
1. ESD保护电路的主要作用是降低电压和电流，一旦电压和电流降低，剩下的问题就可以通过IC内部的ESD保护来解决。
下图显示了典型PIC16 控制器的框图。并非所有微控制器/IC 都使用完全相同的ESD 保护电路，但它非常相似。一般来说，二极管非常小，以至于无法在不烧坏的情况下处理流过它们的大量电流。
注意引脚左侧的两个二极管。这些是内部ESD 保护电路。
PIC16F616 IO 引脚内部框图
在下面的示例中，如果在ESD 事件期间没有外部TVS 二极管，则可能会向IC 引脚施加超过300V 的电压，从而使内部保护过载并可能损坏器件。通过添加一个外部TVS 二极管可以缓解这一问题。
2. 5 种ESD 保护电路+仿真为了更好地说明ESD 事件期间不同保护方案的工作原理，下面显示了五种不同ESD 保护电路方案的仿真。
静电放电是：
使用2R 校准电阻(R14) 测试该电路会生成电流/时间图。
使用2R校准电阻
了解了这一点后，就可以使用该电路来测试各种ESD 保护电路。 1.无ESD保护电路
下面的电路模拟了IC内部的ESD保护电路。 ESD 施加于具有少量寄生电阻的裸露GPIO 引脚。
无ESD保护电路
模拟
GPIO 引脚电压通过D1 超过1KV、11A。根据下面的曲线，如果没有ESD 保护，内部保护二极管会暴露在极端电压和电流下，从而导致二极管失效。这是因为流经D1 的电流与GPIO 上的电压直接相关。
无ESD 保护电路，GPIO 引脚上的电压通过D1 大于1kV 和11A。
2.串联ESD保护电路
这里的ESD保护电路仅使用串联电阻。在此仿真中，220R 可用于通过串联电阻来减慢信号上升时间，从而显着改善电路的EMC 和SI。
ESD保护电路采用串联电阻
模拟
如下图所示，最大GPIO 电压降低了近50%，流经D10 的电流降低了40%。虽然仍然存在IC损坏的可能性，但这表明单个电阻可以增加ESD保护的影响。如果IO引脚信号允许，可以使用更大的电阻来提供额外的保护。
串联电阻图显示与没有ESD 保护的情况相比有显着改善。
3、电容器
另一种简单的ESD保护电路是在引脚和地之间简单地添加一个1nF的电容。与串联电阻一样，电容器的大小取决于电路的用途。
在GPIO线和地之间添加1nF电容
模拟
如下所示，一个小的1nF 电容器极大地改变了图形。峰值电压低于330V，电流限制在约3A。
该ESD 保护电路的潜在问题是该事件的持续时间可能比目前长得多，导致内部保护二极管过热并损坏线路上的数据。
该图与前两张图完全不同，因为电容器显着减慢了事件上升时间。
将电容器更改为10nF 进一步降低了峰值电压，但也增加了事件的持续时间。
10nF电容进一步降低峰值电压
串联电阻也是如此，较大的电容器可提供更好的保护，但有一个例外：低ESR 的大型陶瓷电容器可能会导致振铃。因此，常常需要将串联电阻和电容器组合起来，至少电容器会因其串联电阻而衰减。此外，该方法不能用于通信或高速信号，因为容量会使总线过载。 4.TVS二极管
接下来是TVS 二极管。这是最常见的ESD 保护电路方法之一，本质上执行与齐纳二极管相同的功能，但传导速度更快并且具有更高的浪涌额定值（对于指定的连续电路/可能没有额定功率）。
有一些重要的定义/规范。
最大反向工作电压(VRWM)：正常工作条件下必须施加的最大反向电压。击穿电压(VBR)：二极管首次开始导通时的电压。钳位电压(VCLAMP)：系统在浪涌期间将经历的最大电压。动态电阻(RDYN)：二极管完全导通时的估计电阻。这里注意单向和双向二极管是不同的。使用GPIO 上的8.2V 齐纳(TVS) 二极管接地。
使用GPIO 上的8.2V 齐纳(TVS) 二极管接地。
模拟
可以看到GPIO引脚上的电压明显下降。最大值约为16V，通过D10 的电流仅为100mA。可以这样使用内部保护二极管。
GPIO引脚电压大幅下降
您需要了解的是外部TVS二极管D12上的应力，如下图所示。
显示ESD 事件期间TVS 二极管D12 所经历的电流。
TVS电流电平
使用TVS 二极管时，数据表将包含“电流- 峰值脉冲(10/1000s)”规范。这是TVS 二极管在给定时间和波形下可以处理的最大额定电流。
TVS电流电平
10/1000s 是测量TVS 二极管功率处理性能的常用规格。
减少电流并保护TVS 二极管的一个简单方法是在TVS 的连接器侧使用串联电阻。 TVS二极管的ESD侧放置一个220R电阻。
TVS二极管的ESD侧放置一个220R电阻。
TVS二极管的ESD侧放置一个220R电阻。模拟
下图显示，通过TVS 二极管的电流减少了近50%。随着峰值电流/电压降低，事件的长度增加。
通过TVS 二极管的电流减少近50%
电阻器还会影响GPIO 引脚上的峰值电压。如下图所示：TVS二极管+串联电阻图显示GPIO引脚上的峰值电压略有下降。
TVS 二极管+ 串联电阻图显示GPIO 引脚上的峰值电压略有下降。
TVS 二极管+ 串联电阻图显示GPIO 引脚上的峰值电压略有下降。 5.双肖特基二极管
我有时使用的一种ESD 保护电路是双肖特基二极管，一个偏置到地，另一个偏置到输入电压轨。与TVS 方法的不同之处在于，在正电压尖峰期间，功率被转储到正电源轨而不是接地。这意味着需要低阻抗配电网络。如下所示：
两个肖特基二极管D18 和D19 分别偏置到地和正电压轨。
两个肖特基二极管D18 和D19，分别偏置到地和正电压轨
两个肖特基二极管D18 和D19 分别偏置到地和正电压轨。模拟
V15（电源）仍然有很大的100R串联电阻。这意味着在正ESD 事件中，浪涌将基本上通过D19，然后是100R 电阻器，然后通过地来完成电路。如下所示，这不是一个很好的保护解决方案。
使用100R 电源时，双TVS 二极管基本上不提供保护
这里需要注意的另一个问题是肖特基的反向电压额定值，如果超过该额定值，可能会损坏二极管。通过将电压源的阻抗更改为1R，双肖特基方法变得比TVS 更高效。
通过将电压源的阻抗更改为1R，双肖特基方法变得比TVS 更高效。
考虑到大多数电源的阻抗远低于1R，这种方法可能非常有效。使用此方法时，您必须考虑您的交付网络。
3. 我应该使用什么ESD保护电路？主要有以下三个电路：
1. 高速（USB/以太网/HDMI/等）
此类信号的保护设计相对容易，因为对于每个信号在发生退化之前可以具有的最大总线电容有非常详细的规范。
通常，您将使用专为您的信号类型设计的TVS 二极管，并检查串联连接是否可接受。一般情况下该值会比较大。 2.接口慢，保护一般
这些是PCB 上的通用引脚，通常用于LED、开关和触摸板。这里重要的是它不受恶劣环境的影响。
这些通常使用TVS + 大串联电阻，但根据应用，可以使用双肖特基方法，因为它还可以提供过流和短路保护。 3.接口慢，防护高
与上述非常相似，但为信号增加了额外的电容并显着降低了转换速率，工业应用或损伤不可接受的情况除外。
以上是对五种ESD电路的解释。谢谢。
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