ESD保护器种类和保护电路分析
来源：立深鑫电子 发布时间：01-18 点击：
摘要 : 日常生活中，ESD (Electro-Static Discharge，静电放电)对于我们来说是一种常见的现象，然而对电子产品而言，ESD往往是致命的——它可能导致元器件内部线路受损，直接影响产品的正常使用寿命，甚至造成产品的损坏。因此，ESD防护一直以来都是工程师们的工作重点。
日常生活中，ESD (Electro-Static Discharge，静电放电)对于我们来说是一种常见的现象，然而对电子产品而言，ESD往往是致命的——它可能导致元器件内部线路受损，直接影响产品的正常使用寿命，甚至造成产品的损坏。因此，ESD防护一直以来都是工程师们的工作重点。对于刚开始职业生涯的电子工程师而言，在掌握专业技能之前通常都要接受一些ESD相关知识的培训，足见ESD防护的地位与重要性。
一般，ESD保护一般通过两种途径来实现，第一种方法是避免ESD的发生；第二种方法则是通过片内或片外集成内部保护电路或专用ESD保护器件，从而避免ESD发生后将被保护器件损坏。
ESD保护器件与保护电路
虽然上述避免ESD发生的方法有着很理想的效果，不过对于终端用户显然不太适合——举例来说，我们不可能在使用手机之前先戴上静电手环，通话结束后将手机放到静电袋中以避免ESD。事实上，由于用户鲜有机会接触到产品内部的元器件及电路板，因此也不需要如此严格的ESD防护措施，但这并不意味着ESD的问题不存在——首先，ESD可以输入/输出连接器（如USB接口、充电器接口、SIM卡插槽等）为路径进入电路中的各种元件；其次，随着电子产品，特别是消费电子产品向着轻薄化发展，导致内部IC的外形尺寸不断减小，其自身ESD防护能力亦不断减弱。所以，工程师在设计时通常加入ESD保护器件，而很多IC内部也有片上ESD保护电路。
片上ESD保护电路
相信所有人都希望ESD防护能完全地集成到IC芯片内部，因为这样会节省的板级空间，减少系统成本并降低设计与布线的复杂度。但从目前情况来看，前景并不乐观。如今，IC制程工艺的进步成了片上ESD保护的一大难题。一方面，工艺的进步虽提升IC的性能与集成度并降低功耗与尺寸，但由于栅极氧化层厚度越来越薄，IC自身的ESD防护能力反而降低。另一方面，随着IC尺寸的不断减小，由于受到空间的限制，因此保护能力有限。
ESD保护器件
由于片上ESD保护电路能力有限，为保证整个系统有较好的ESD防护能力，外部ESD保护器件是必不可少的。比较常见的有陶瓷电容、齐纳二极管、肖特基二极管、MLV（Multi-Layer Varistor，多层变阻器）和TVS（Transient Voltage Suppresser瞬态电压抑制器）。
MLV是一种基于ZnO压敏陶瓷材料，采用特殊的制造和处理工艺而制得的高性能电路保护元件，其伏安特性符合I=kVa，能够为受保护电路提供双向瞬态过压保护。MLV的工作原理是利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。目前，MLV在很多领域得到了广泛的应用，如手机、机顶盒、复印机等等。
电子产品轻薄化的发展趋势使其对ESD防护要求越来越高，MLV渐渐有些力不从心，TVS二极管则开始崭露头角。TVS通常并联于被保护电路，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。由于TVS二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点，具有理想的保护作用。 改进后的TVS二极管还具有适应低压电路（＜5 V）的特点，且封装集成度高，适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用。
与MLV相比，不难看出TVS有如下优势：
体积：MLV的性能完全由其内部材质决定，因此很难在减小尺寸的同时保持或提高性能，封装尺寸从0402到1206。而TVS采用硅芯片技术，可以得到比MLV更小的元件封装尺寸。
性能：TVS有更低的箝制电压、更低的漏电以及更快的响应速度。
寿命：由于工作原理不同，TVS与MLV的寿命也不尽相同。安森美半导体亚太区市场营销副总裁麦满权做了一个形象的比喻：“TVS的原理就好像太极，把接收到的能量快速的转移到接地端，所以它的寿命几乎就是无限的。而可变电阻就好像一个人在不停的挨打，它把能量都由自己来承受吸收，因此，寿命是有限的，而且随使用时间的增加，性能会慢慢下降。”
结语
ESD是一个“看似很小的大问题”，一个产品ESD防护的好坏直接影响到该产品的良品率及寿命。科研人员对ESD防护的研究从未停止过，相信在不久的未来，会有更好的材料、更新的技术来帮助我们应对ESD所带来的困扰。
