說到半導體器件的穩定性，肯定逃不開一個話題，那就是ESD和浪涌。不管是哪種應用場合，下到消費電子，上至汽車電子，器件在高速的電量傳輸過程中不可避免地會產生潛在的破壞性電壓、電流。一旦風險發生，電路會在瞬間被燒毀。

ESD的本質是正電荷和負電荷在局部范圍內失去平衡的結果，絕大多數電子元件在數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。往往我們會需要高效能的保護元器件來保護電路，當兩極受到反向瞬態高能量時候能夠吸收浪涌，對后級電路形成有效的保護。

ESD二極管對電路的保護

電路中不存在ESD保護的話，通過接口連接產生的高壓ESD沖擊會導致大電流峰值直接流入集成電路，造成損壞。為了保護敏感電路免受電氣過應力故障，ESD保護二極管會連接到接口連接器和集成電路之間的每個信號線。

在靜電危險發生時，ESD二極管被擊穿并產生一個低阻抗路徑，該路徑通過將電流轉移到地面來限制電路的峰值電壓和電流，從而保護整個集成電路。接地這種辦法是防靜電措施中最基本最直接最有效的，即便用這種最基本的辦法產生低阻抗路徑，電路峰值電壓也會與之前相差非常大，有數量級上的差別。

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（ESD保護二極管，TOSHIBA）

ESD防護會有幾個方面需要注意，首先自然是工作電壓上的。接口的信號電壓不應超過ESD設備在負方向或正方向上的工作電壓，以防止不必要的擊穿。電容也是需要重點關注的，由于ESD二極管與信號軌跡并行連接，因此它們給系統增加了一些寄生電容。ESD器件的電容在高速接口中特別重要，電容必須盡可能做得很小，否則信號的完整性會受到干擾，原本的防護也變成了累贅。

通過IEC 61000-4-2標準意味著ESD設備有更高的魯棒性，IEC 61000-4-2額定值越高，ESD設備所能承受的電壓就越高。而ESD設備可以有多種通道和配置，根據接口的不同，多通道設備可以比單通道設備節省更多的板空間，單通道設備則比多通道解決方案能提供更多的設計靈活性。

ESD防護的應用

拿工業場景中常見的4-20mA信號標準為例，該標準是工業應用中最流行的傳感器信號傳輸接口之一。PLC為系統提供電壓源，傳感器使用該電壓源以4-20ma電流的形式傳輸它們從外部環境接收到的數據。這種4-20mA環路的優點是傳輸數據幾乎沒有信號丟失。但是，4-20mA使用的電纜往往會很長，并且現在還有向更長的電纜發展的趨勢，這意味著ESD和浪涌脈沖很容易耦合到電纜上損壞系統。

我們可以看到，4-20-mA使用的連接器、防護器件都會對靜電防護有較高的要求，盡可能減少風險耦合到電纜上，符合IEC 61000-4-2和IEC 61000-4-5標準級別的ESD二極管是必需的。將ESD二極管放置在發射機、電源和接收器前，來保護設備免受耦合到4-20mA電纜上的浪涌或靜電沖擊。

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（4-20mA環路電路保護，TI）

由于大多數4-20-mA電壓源都是24V，所以在這種環路中配置的ESD二極管往往是一個工作電壓略高的二極管。另外，受限于PLC、I/O模塊以及現場發射器的空間，保護二極管尺寸需要越小越好。

低動態電阻和低鉗位電壓在這種工業系統的ESD防護器件里是很重要的指標。因為IEC 61000-4-2等級僅僅說明了ESD二極管本身可以承受多少電壓，這個額定值并不代表二極管下游的電路是否能受到保護。ESD二極管的鉗位電壓才決定下游IC是否會受到保護。肯定是希望鉗位電壓越低越好，這樣下游電路才能盡可能少地暴露在擊穿環境下。

上面也提到了，電容肯定是不可忽視的。整個環路會有一個電容預算，雖然根據系統設計不同最大的ESD電容值會有些差異，流行的高速接口也都會有一些電容范圍，比如GPIO需要＜30pF的電容，HDMI需要＜0.5pF的電容，以太網一般在4pF以下等等。工業通信場景中一般電容在3pF左右較為合適。

小結

對于ESD防護來說，并不是保護電壓越高越好，確定ESD保護效率的最佳參數是鉗位電壓，鉗位電壓很差意味著電路將會對瞬態電壓更敏感。在端口和接口進行防護，使其免受各種瞬態過壓事件的影響是提升電路可靠性非常重要的一環。從另一個角度來說，ESD保護在提供足夠的防護之外對工業系統的信號完整性也有著不小的作用。