【电子元器件】如何看懂ESD器件规格书

本文章是笔者整理的备忘笔记。希望在帮助自己温习避免遗忘的同时，也能帮助其他需要参考的朋友。如有谬误，欢迎大家进行指正。

一、器件概要

数据表的首页提供概述并突出显示器件特有的主要特性。应用下并未列出该器件的所有终端设备和接口，仅列出了特定器件常见的终端设备和接口。下图为ESD751/ESD761的数据表，突出显示了需要注意的关键方面。通过查看数据表，最为关键的几个点是：24V 工作电压、ESD 等级 (IEC61000-4-2)、1.6pF 或 1.1pF 电容以及器件采用的封装。

ESD751/ESD761 首页

二、引脚配置和功能

不同的ESD保护器件引脚配置和功能存在一定的差异。下图列出和说明了可在 ESD 保护器件数据表中看到的引脚功能和引脚说明。

引脚功能和说明

三、规格书指标

1. 绝对最大额定值

绝对最大额定值指定了在超过该值时可能对器件造成永久损坏的应力等级。下图是绝对最大额定值表的一个示例。额定值通常包括贮存和环境工作温度以及 IEC 61000-4-5 的功率和电流额定值，某些器件的额定值包括 IEC 61000-4-4 EFT 抗扰度等级。 IEC 61000-4-5 是一项浪涌抗扰度测试，用于评估器件承受浪涌事件的能力，浪涌事件是指电流在 µs 范围内大幅增加的情况。室外操作、较长的布线、频繁的负载变化以及许多其他情况更容易受到浪涌事件的影响。选择器件时要考虑的一个重要参数是 IPP，即系统在浪涌事件期间承受的峰值电流。这是因为浪涌脉冲包含大量能量，并且由于浪涌事件的持续时间较长，因此需要更多的保护。 IEC 61000-4-4 EFT 专门用于测试快速瞬变/突发抗扰度。通常，该测试是网络系统、现场电缆传输和其他工业应用所必需的。

2. ESD 等级 - JEDEC

当验证元件在制造、组装和运输方面的承受能力时，JEDEC 标准非常有用，但并不代表最终用户场景中的元件体验。下图是 JEDEC 标准在典型 ESD 保护器件数据表中的具体示例。这两个等级分别是人体放电模型 (HBM) 和充电器件模型 (CDM)。HBM 会模拟在受控工厂环境中人体放电到接地器件上。CDM 会模拟充电器件通过接地材料进行的静电放电。

JEDEC 等级表示例

3. ESD 等级 - AEC

汽车电子协会 (AEC) 标准基于 JEDEC 等级，但特定于汽车器件。两者之间的区别是对器件进行的测试。AEC 和 JEDEC 这两个等级的 HBM 和 CDM 通常具有相同的值。下图展示了通过汽车认证的 ESD 保护器件数据表中的 AEC 等级表示例。

AEC 等级表示例

4. ESD 等级 - IEC

IEC 61000-4-2 等级包括两种测量：接触测量和空气测量。接触等级是将 ESD 脉冲直接放电到器件上时该器件可以承受的最大电压。空气间隙等级与之类似，此测试不是直接放电到器件上，而是涉及通过器件上的空气间隙使 ESD 脉冲放电。等级越高，器件能够承受的电压就越高。 下图细分了 IEC 61000-4-2 等级的不同级别。

IEC 等级表示例

5. ESD 等级 - ISO

ISO 标准部分基于上述 IEC 61000-4-2 等级，但具有特定于汽车应用的主要差异。ISO 和 IEC 标准之间的主要区别在于用于仿真不同 ESD 冲击的耦合网络。根据 ISO 标准执行的 330pF、330Ω 测试具有需要分流至接地端的最高电流。下图是汽车认证的 ESD 保护器件数据表中的 ISO 等级表的一个示例。

等级表示例示例

6. 建议运行条件

建议运行条件设定了器件在运行时应满足的特定要求。对于大多数 ESD 保护器件数据表，建议的运行条件包括输入引脚电压和自然通风条件下的工作温度，如下图所示。如果器件在这些建议条件之外但在绝对最大额定值范围内运行，则该器件可能无法完全正常工作。这可能会影响器件的可靠性、功能和性能，并缩短器件寿命。

7. 热性能信息

热性能是一个器件的重要指标，下图展示了大多数ESD 保护器件数据表中的热指标，最经常被使用的指标是结至环境热阻 RθJA，此指标用于衡量安装在特定测试板上的 IC 封装的热性能，其他的热参数请参阅应用手册半导体和 IC 封装热指标。

热性能信息示例

8. 电气特性

数据表的电气特性部分可谓是重中之重。本节详细讨论了特定的 ESD 保护器件参数，选择适用的保护器件时必须透彻了解这些参数。下图是 ESD 保护器件数据表中的一个电气特性表，其中的参数通常会在所有 ESD 器件数 据表中出现。

（1）反向关断电压 (VRWM)

反向关断电压是受保护线路的建议工作电压，通常也称为反向工作电压。工作电压定义为接口信号为防止意外泄漏而不能超过的最大正电压或负电压。

（2）击穿电压 (VBR)

击穿电压是 ESD 器件在超过该电压时开始传导大量电流的限值。如下图所示单向 ESD 二极管和双向 ESD 二极管的电压范围和击穿电压。

单向 ESD 二极管（左）和双向 ESD 二极管（右）的 I-V 曲线

（3）漏电流 (ILEAK)

漏电流和反向工作电压密切相关。ESD 保护二极管的漏电流是施加反向工作电压时泄漏的电流量。对于部分需要超低漏电流的产品，请检查最大漏电流。

（4）动态电阻 (RDYN)

在评估 ESD 钳位电压的有效性时，动态电阻是一个重要因素。发生 ESD 事件时，RDYN 表征了器件 I-V 曲线的陡度。更大限度地降低动态电阻通常可提供更好的钳位电压和保护。

（5）线路电容 (CL)

线路电容是二极管存储电荷的耗尽区域的结果。如果未正确考虑线路电容，则二极管可能会降低信号完整性。对于高速数据应用，需要低电容来保持信号完整性，否则信号会失真而无法被识别。

（6）钳位电压 (VCLAMP)

钳位电压是系统在瞬态事件期间所承受的电压，用于测量 ESD 二极管对下游系统电路的保护程度。钳位电压是 ESD 保护器件的重要规格之一，如果数据表中没有钳位电压，则可以从下一节提到的传输线路脉冲 (TLP) 图中确定。下图所展示的是 IEC 冲击和 TLP 电流之间的比较。对于大多数 ESD 器件，额定的钳位电压为 16A/8kV IEC。

IEC 冲击与 TLP 电流间的关系示例

9. 典型特性

ESD 保护器件通常包含专用图，有助于为给定的系统级设计选择合适的保护器件。这边讨论 ESD 数据表中常见的特定图。

（1）TLP 图

传输线路脉冲 (TLP) 图用于测试在 ESD 事件期间器件在电流域和时间域中的行为。可以轻松更改脉冲宽度和上升时间，但通常情况下，测试涉及上升时间为 1ns 至 5ns、脉冲宽度为 100ns 的矩形电流脉冲。TLP 图提供了重要的参数：钳位的击穿电压和动态电阻。如果数据表中未明确提供钳位电压，则可以从 TLP 图得出钳位电压。如下图所示，如果电流为 16A，钳位电压估计为 36V左右。该器件会出现迅速反向，这是一种用于在 ESD 事件期间降低总压降的技术。对于双向二极管而言，正和负 TLP 图几乎相同。但单向二极管则不一样。

正 TLP 曲线

负 TLP 曲线

（2）±8kV 钳位 IEC 波形

±8kV 钳位 IEC 波形是前面提到的测量 8kV 接触放电时获取的 IEC 61000-4-2 等级结果。此测试要考虑的重要参数是上升时间和脉冲宽度。

+8kV 钳位 IEC 波形

-8kV 钳位 IEC 波形

（3）电容与偏置电压之间的关系

电容与偏置电压的关系图显示了电容在工作电压范围内的变化。ESD751 数据表的下图描绘了一个双向器件，它展示了 0V 至 24V 的正工作范围。从图中可以看出，电容在不同工作电压范围内略有变化。

电容与偏置电压之间的关系

（4）漏电流与温度间的关系

这张图采用了数据表中的建议工作温度，并在 -40°C 至 125°C 的温度范围内测量了漏电流。下面显示了 TPD1E05U06 数据表中的漏电流与温度关系图的示例。

漏电流与温度间的关系

（5）电容与温度间的关系

和漏电流与温度间的关系图类似，该图在建议的工作温度范围（-55°C 至 150°C）内测量器件的电容。根据 ESD451 器件数据表，电容与温度间的关系示例如下图所示。对于该特定器件，电容为 0.5pF（典型值）。如图中所示，电容在较低温度下会降低，高温的时候会升高。

电容与温度间的关系

（6）插入损耗

插入损耗是在将器件插入电路时发生的功率损耗量或信号强度。这对于 ESD 保护器件非常重要，因为大电容会导致信号质量下降。下面显示了 ESD341 数据表中的插入损耗图示例。通常，该器件能够支持介于 0dB 和 -3dB 范 围之间的信号速度。如下图所示，该器件支持高达 5GHz 的频率。

插入损耗

四、总结

选择ESD器件的时候需要向供应商/制造商索要详细用户手册，并综合考虑上速的各种指标，这样子可以系统的选择适合特定应用需求的ESD保护器件，以确保电子设备的安全和可靠性。

备注