在關注半導體器件以及連接器件的穩(wěn)定性時，我們總會說到ESD和浪涌。ESD的本質(zhì)是正電荷和負電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結果，在高速的電量傳輸過程中，往往會產(chǎn)生潛在的破壞性電壓、電流。絕大多數(shù)電子元件在數(shù)百伏的電壓下就會損壞，有的器件甚至不需要上百伏，在幾十伏時就會損壞。浪涌同樣如此，能夠瞬間燒壞電路。

外部ESD防護的一些應用

當下基于先進工藝的半導體器件會提供基礎的設備級的ESD保護，但這種級別的ESD規(guī)格是不足以完全保護系統(tǒng)中設備的，系統(tǒng)級別的ESD打擊的能量級別會超出基礎設備級ESD的防護能力，需要引入外部的ESD防護來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的可靠性。

這里先看一個用于以太網(wǎng)物理層PHY的外部電路保護。下圖示例中，需要對連接器中的Tx/Rx信號線提供4個通道的ESD保護。這些信號的電壓范圍從1V到2.5V，并且以太網(wǎng)標準下的帶寬包括10mbps、100mbps、1Gbps。不同的這些速度下，對應的ESD二極管的電容需要做出調(diào)整。

（以太網(wǎng)外部電路保護，TI）

在以太網(wǎng)的電路應用中，為了在負方向提供足夠的保護，一般會選擇單向的外部ESD保護。另外在電容的選擇上要注意，尤其是千兆以太網(wǎng)應用，電容＜4.5pF更合適。

再看看工業(yè)應用中常見的4-20-mA標準。工業(yè)傳感器以4-20mA電流的形式傳輸它們從外部環(huán)境接收到的數(shù)據(jù)。這種4-20mA環(huán)路的電纜可能很長，ESD和浪涌脈沖可能耦合到電纜上并損壞系統(tǒng)。

（4-20mA環(huán)路電路保護，TI）

多數(shù)4-20mA電壓都是24V，因此可以在電源（包括發(fā)射端、接收端）前面添加一個電壓略高一點的二極管來進行防護。這一類空間受限類的應用，保護二極管要越小越好。

浪涌保護TVS與平緩鉗位技術

TVS二極管是浪涌保護里很流行的選擇，一來它并不復雜，二則是成本很低，能完成短時間內(nèi)分流高電流浪涌的任務。想要實現(xiàn)較高的性能表現(xiàn)，TVS二極管的鉗位系數(shù)VCL/VBR要足夠低，同時響應速度必須快，在工業(yè)上的應用則更多的要考慮功率密度。在封裝上，各廠商都盡可能地將其封裝做得很小，畢竟較大的封裝一直是TVS被人所詬病的地方。

如果使用TVS也不足以進行保護，這種情況又該怎么辦？這種情況一般會增加串行電阻，降低保護IC I/O的鉗位電壓。但對于某些接口來說，添加串行電阻可能會超過標準中指定的阻抗，也有可能減少帶寬，這是要注意的。

（TVS效果，ST）

TI的平緩鉗位技術相比于TVS，提供了一個精確的、平坦的同時和溫度無關的電壓，進一步減少了系統(tǒng)的電壓風險。根據(jù)TI給出的數(shù)據(jù)，該技術標準下的浪涌保護IC封裝面積比行業(yè)標準的微型A（SMA）/微型B（SMB）小90%，與傳統(tǒng)的基于TVS的方案相比，電容要低得多，低了五成左右。

該技術集成了電壓傳感電路、柵極驅(qū)動電路和作為主動鉗的功率場效應晶體管。電壓感應電路確定觸發(fā)電壓。當鉗內(nèi)的輸入電壓低于觸發(fā)電壓時，柵極驅(qū)動器和功率FET關閉。一旦輸入電壓高于觸發(fā)電壓，柵極驅(qū)動器和功率FET將打開，以鎖定引腳處的電壓。

其他問題

對于ESD防護來說，也不是保護電壓越高越好。確定ESD保護效率的最佳參數(shù)是鉗位電壓，假設是30kV的ESD二極管，但是鉗位電壓很差，這意味著電路將會對瞬態(tài)電壓更敏感。除非是車規(guī)級標準應用，才會考慮高于8kV的ESD魯棒性。

有些ESD保護會添加快速恢復性能，標準ESD保護在擊穿電壓被激活后，其電壓隨電流線性增加到鉗位電壓。快速恢復性能意味著在保護觸發(fā)后降低鉗位電壓。

小結

在器件端口和接口進行防護，使其免受各種瞬態(tài)過壓事件的影響是提升電子器件可靠性非常重要的一環(huán)。從另一個角度來說，ESD和浪涌保護在提供足夠的防護之外對系統(tǒng)的信號完整性也有著不小的作用。