静电（static electricity）是一种处于静止状态的电荷，是一种客观存在的自然现象。静电会引起电子设备的部件损坏或误动作，击穿集成电路和精密的电子元件，或者促使元件老化。为了防止这种静电造成的电磁干扰，ESD保护型器件就诞生了，那么什么是ESD保护器件？今天我们就着重了解一下ESD保护器件吧！

ESD静电抑制器概述

静电保护元件(ElertroStatic Discharged Protection)简称ESD，是一种过压保护元件，是为数据传输应用的I/O端口保护设计的器件。ESD静电抑制器是用来避免电子设备中的敏感电路受到ESD(静电放电)的影响。可提供非常低的电容，具有优异的传输线脉冲（TLP）测试，以及IEC6100-4-2测试能力，尤其是在多采样数高达1000之后，进而改善对敏感电子元件的保护。

ESD静电抑制器分类

ESD保护器件主要有4大类，TVS瞬态抑制二极管、多层结构压敏电阻、积层贴片电容器（MLCC）、Polymer静电抑制器，各个器件的应用场景也不太一样。如下是几种保护器件的特征。

ESD静电抑制器的区别

  • 1、对于 MLCC，MLCC主要是靠电容量冲入 ESD 放电电流，电容量越大，ESD 性能越好；高速信号中，电容大又会引起信号失真，电容量小 ESD效果不佳，所以一般 MLCC 用在电源上或者是低速信号上。
  • 2、对于TVS瞬态抑制二极管，抗 ESD 性能不错，TVS瞬态抑制二极管一般是最常见也是最常用的ES保护器件。TVS瞬态抑制二极管的极间电容可选择性大，小到 1pF 以下，大的到 50-100pF，所以一般在高速，电源或者是低速电路中都可以使用，高速信号中选择极间电容小的TVS瞬态抑制二极管，比如USB信号上选择小于 1pF 的TVS瞬态抑制二极管，电源和低速信号，可以选择极间电容稍大的TVS瞬态抑制二极管，比如几十 pF。
  • 3、对于Polymer静电抑制器，内部电容量一般都是 1pF 以下，因为ESD静电抑制器的超低电容量，所以 ESD 抑制器的 Vave 特性比 TVS瞬态抑制二极管好，Vpeak 特性比 TVS瞬态抑制二极管差，常被用于RF天线等对电容敏感的接口部位。
  • 4、对于多层结构压敏电阻来说，价格比 TVS瞬态抑制二极管低不少，抗 ESD性能比 TVS瞬态抑制二极管差。压敏电阻 1pF以下电容较少，所以高速信号上使用会受限，因为内部电容量成分，一般压敏电阻的 Vpeak 特性比 TVS瞬态抑制二极管好一点。

ESD静电抑制器的保护原理

将ESD静电保护二极管并联于电路中，当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态），不影响线路正常工作，当电路出现异常过压并达到其击穿电压时，它迅速由高阻态变为低阻态，给瞬间电流提供低阻抗导通路径，同时把异常高压箝制在一个安全水平之内，从而保护被保护IC或线路；当异常过压消失，其恢复至高阻态，电路正常工作。当电压超过二极管的导通电压的时候，就导通接地放掉，正常信号一般达不到导通电压，不会达到该电压，所以不会通过地损耗，而ESD电压一般超过导通电压，会使二极管导通，ESD电压通过接地放掉，不打坏仪器内部。

ESD静电抑制器的作用

ESD静电抑制器的作用就是在电子产品设备受到雷击浪涌与ESD静电放电或者其他瞬态电压时，可对电路进行一个防护效果，让电子产品电路免受瞬态雷击浪涌与ESD静电的损害。ESD静电保护器基本上都是通过静电进行吸收和耗散，产生一个充电放电的过程，从而达到对电子设备进行静电保护，设备中的ESD静电阻抗器一般都不易老化损坏。ESD静电保护器工作特性与TVS瞬态抑制二极管一致。

ESD静电抑制器的主要性能参数

  • 1、最大工作电压Vrwm 允许长期连续施加在ESD保护器件两端的工频电压的有效值，在此工作状态下ESD器件保持高阻态，这个电压大于等于正常工作电压即可。
  • 2、触发电压Vbr ESD元件开始动作（导通）电压，是电压曲线的最高点。
  • 3、钳位电压Vc 关键参数之一，ESD元件上的类似于稳态电压，一般在指定时间（30NS，这个概念可能很多工程师朋友不太了解）读取，其值越小使得静电脉冲对被保护器件的损伤越小。
  • 4、漏电电流Ir 在指定直流工作电压的作用下，ESD保护器件中流过的电流，其值越小对被保护电路影响越小。
  • 5、电容Cj 关键参数之一，给定电压、频率下测得。其值越小，对传输信号影响越小，对数据信号的正常传输起重要作用。但不是说这个值越小越好，大体上，在高频信号需要做ESD防护的时候，就需要1PF以下的低容值。

ESD静电抑制器的测试标准

静电的测试标准分为器件级和系统级。器件级ESD分为HBM,MM,CDM，其中HBM的相关规范包括MIL-STD-833H Method 3015.8（美国军标），JS-001-2012（ESDA-JEDEC发布的联合规范），AEC-Q100（汽车电子协会）。CDM相关规范包括STM5.3.1-2009（美国静电协会），JEDEC EIA/JESD22-C101-E（电子工程协会），不过上述两个标准已经被JS-002-2014（ESDA和JEDEC发布的联合标准）所取代。IEC 61000-4-2和GB/T 17626.2规定要求的最高试验电压是接触放电8kV,空气放电15kV(不包括开放等级的特殊电压）。

ESD静电抑制器的应用领域

静电抑制器主要保护I/O 接口、信号线、传感器、通信总线免受人体静电、感应静电损坏，满足 IEC 61000-4-2 静电抗扰标准；高速场景选用超低电容型号，车载 / 工业需匹配对应可靠性认证。

一、消费电子（最大应用市场）

典型防护点位：USB Type‑C、HDMI、耳机孔、SIM/SD 卡槽、触控屏、NFC、LVDS、摄像头模组

  • 手机、平板、笔记本、一体机
  • TWS 蓝牙耳机、智能手表、手环等可穿戴设备
  • 显示器、电视、机顶盒、游戏机
  • 充电宝、数码相机、扫地机器人、智能家居面板、智能门锁

二、通信与网络设备

高速差分信号对结电容要求严苛，大量使用多通道 ESD 阵列

  • 5G/4G 通信模组、CPE、光模块、基站射频接口
  • 交换机、路由器、网卡、工业以太网（RJ45/PoE）
  • 安防摄像头、NVR 硬盘录像机、门铃摄像头
  • 光纤收发器、串口设备（RS232）

三、汽车电子（车规级，AEC‑Q100/AEC‑Q200）

重点防护车载总线、外部传感器接口，同时兼顾抛负载、EFT 干扰

  • 车载 CAN、LIN 总线、Ethernet 车载以太网
  • 中控主机、车机显示屏、USB 接口、蓝牙 / WiFi 模块
  • ADAS 摄像头、毫米波雷达、超声波传感器、胎压监测 TPMS
  • 新能源汽车 BMS 电池管理系统、车载充电机 OBC、充电桩控制板
  • 车窗、车灯、座椅控制模块、车载 T‑BOX

四、工业控制与物联网（工业级 ESD 防护）

环境复杂，常同时面临静电、电快速脉冲 EFT

  • PLC、DCS、伺服驱动器、工业机器人
  • RS485、Modbus 总线、工业传感器（温湿度、压力、视觉相机）
  • 工业触摸屏、数据采集模块、远程 IO 模块
  • 物联网采集终端、智能水表 / 电表、户外网关

五、医疗电子（高可靠性、低漏电流，遵循 IEC 60601‑1‑2）

精密模拟电路极易被静电击穿

  • 心电监护仪、血氧仪、血糖仪、超声设备
  • 医疗触控面板、传感器电极、便携诊疗设备
  • 医院智能终端、输液监控设备

六、新能源、储能

  • 储能逆变器、储能 BMS、光伏逆变器信号采集端口
  • 便携式户外电源、快充储能设备

通用典型防护接口汇总（所有领域通用）

USB2.0/3.x/4、Type‑C、HDMI、DP、SATA、RJ45、RS485、CAN、LIN、LVDS、天线射频口、触控信号线、各类外部传感器输入口

Semiware提供完整的各种接口参考设计，如有需求，请访问：https://semiware.com/reference_designs_page/

更多信息

Semiware提供全系列的ESD静电抑制器产品，了解更多产品信息，可以访问：https://semiware.com/product-line/esd-protection-diodes/

关于Semiware

Semiware 拥有电路保护器件系列产品的完善产品阵容。公司凭借其在半导体领域的技术和终端产品的应用背景，为电子、汽车和工业市场上的客户提供服务。如果您有技术问题，请按以下方式联系技术支持团队：邮箱：fae01@Semiware.com； 电话：86-21-3463-7654； 免费技术支持热线：400-021-5756 ;如需了解更多信息，请访问Semiware 官方网站：https://semiware.com