主要讲以下几个方面：

什么是静电释放ESD？

众所周知，物体会在与其他物体的接触与摩擦中产生并积累电荷。举个例子 人类的皮肤经常会在与物体的接触和摩擦中失去电子 ，从而积累正电荷。当这个积累了很多正电荷的物体与一个 导体距离非常近或接触的时候 ，电子将会快速从导体转移到积累正电荷的物体上，这个电子快速转移的过程就是静电释放 ，英文简称ESD 。

当你在干燥的天气脱了大衣又去抓金属门把手的时候 ，我相信你就知道ESD是什么了，一般而言 ESD可能会高达上前伏特，这会对比较敏感的半导体和集成电路造成损害 。

ESD在集成电路系统中对裸露在外的接口有非常重要的作用 。当带有电荷的物体 比如人类靠近或者接触这些接口的时候 ，ESD电流会释放在PCB上 ，这很容易对电路造成损害。为了防止系统损伤，我们可以在靠近接口的位置放置一个ESD保护二极管 。当ESD静电打上接口时，ESD保护二极管会将电流引向地 ，从而起到保护系统的作用。

工作电压VRWM和击穿电压VBR

首先 我们来看一看ESD保护二极管是如何在正常情况下工作的，图标展示了这个ESD保护二极管的电流和电压的关系 。

在接口信号向系统传输的过程中，ESD保护二极管应该处于隐形状态，并且没有电流流过，然而当一个ESD攻击事件发生时，二极管两端的电压超过一个称为击穿电压的特定阈值，二极管开始导通并将电流分流到地。

让我们仔细观察一下这个电流电压曲线，我们定义当二极管流过的电流为1毫安时，二极管达到击穿电压。

当输入的电压小于二极管的击穿电压时，理想情况下二极管流过的电流应当为零;然而在现实世界中一定量的电流泄露是必然存在的，如图中所示。

在TI的设计语言中 ，我们将Vrwm 或者称为工作电压，定义为电流10纳安的点，这个工作电压值可以理解为建议的最大电压信号浮值，所以在一般设计中我们会建议系统的信号不要超过Vrwm 。例如 如果你的信号范围是0至3.6伏，您应该选择一个Vrwm在3.6伏以上的二极管，如果你选择的二极管工作电压小于3.6伏，就容易发生电流泄露的情况。

ESD二极管通常有两种极性：双向和单向

双向二极管通常有正负对称的I-V曲线，工作电压和击穿电压。正因为如此，双向二极管可以支持在它正负工作电压范围内的正负信号。另一方面，单相ESD二极管一旦出现负压，则会被击穿。

所以对于单向ESD二极管而言，它仅能支持正向的0至工作电压区间的信号，不过单向ESD二极管反向钳位的电压更小，可以提供更好的负压保护。

总结而言：双向和单向ESD二极管都可以提供正负ESD电压保护，但是双向ESD二极管由于具有对称的正负击穿电压，可以通过正负信号。而单向ESD二极管只可以通过正向信号，不过相比双向而言单向ESD二极管对于负压的保护更好。

IEC 61000-4-2D标准

几乎所有的模拟和数字芯片都会在data sheet里标注的ESD数据

设计人员经常会参考这些数据，并误以为这些芯片可以在日常使用中免受ESD的损坏。但是如果了解衡量ESD的标准后，就会知道，普通芯片的ESD等级并不一定能完全保护电路，我们来看一看会在data sheet中看到的ESD模型。

ESD模型—人体模型HBM

人体模型 ，简称HBM，它模拟了在工厂环境中携带静电的人体触摸接地设备的过程，HBM的波形如绿线所示。

HBM标准是为了衡量芯片能否在生产，组装和运输的过程中免受ESD的损害，并非适用于日常使用的场景。

带电装置模型CDM

带电装置模型简称CDM，它模拟了一个带静电的器件接触电路的情景。CDM的模拟波形如蓝线所示。

CDM会在小于20ns的时间内有一个非常高的电流脉冲。和HBM相似，CDM也是为了衡量芯片生产，制造过程中可能会遇到的ESD而设计的，并非适用于日常使用场景。

IEC61000-4-2模型

和HBM以及CDM不同，这是一个为日常使用设计的标准，它可以帮助我们衡量芯片，确保是否能在日常可能接触到的ESD中，免受损坏。

如红色波形所示，它用了更高的电流脉冲，并且持续的时间也更长。

IEC61000-4-2等级

IEC 61000-4-2标准有四个不同的等级，最高等级为四级，应用8kV的接触放电和15kV的空气放电。

ESD钳位电压Vclamp

当我们在data sheet中提到这颗ESD二极管，可以达到8000V接触放电和15kV空气放电时，我们针对的是这颗ESD二极管本身可以承受8000V和15kV的ESD冲击，并不代表系统电路同样可以承受 。

ESD二极管的钳位电压可以帮助我们量化在承受ESD冲击的时候，系统将会受到的冲击 。

如图所示我们的ESD保护二极管放置在一个与受保护电路平行的位置。钳位电压的含义是指在系统遭受对应级别的ESD冲击时，系统SE需要承受的冲击电压值。

这张图显示了一个8kV IEC冲击在系统中造成的冲击电压随时间的变化。红色的波形代表没有ESD二极管的信息。如果加上了ESD保护二极管，当一个ESD冲击进入系统 ，ESD二极管将立刻被击穿，并提供一个低阻抗的路径将电流导向地面。

无论如何在ESD保护二极管的两端，由于阻抗的存在依然会有一定程度的压降 。这个压降将会平行映射到系统电路中，蓝色的波形就显示了钳位波形。

对于了解钳位电压最好的办法是观测ESD二极管的传输线性脉冲曲线，或者简称为TLP曲线 。TLP曲线提供了二极管电压与电流的关系。可以通过给定的输入电流推算出钳位电压 。

举个例子当1A的电流被释放到ESD二极管，它的钳位电压大约为8.4V。当放电电流为2.7A，钳位电压为9V 。当放电电流为5.8A时 ，钳位电压为10V 。以此类推 。

系统会承受的钳位电压对于8000V的IEC ESD冲击而言，我们只需要看TLP曲线中16A的那一点 。对于这一个二极管而言，钳位电压大约是13.4V。TLP曲线的斜率对于理解二极管保护的好坏很重要。

举个例子，绿色的曲线代表另一颗ESD保护二极管。更高的斜率代表它在对应电流时有更低的钳位电压。根据欧姆定律这条曲线的斜率为动态电阻1/Rdyn。所以 当你关注钳位电压时，选择动态电阻更小的ESD保护二极管，就代表它拥有更小的钳位电压 。

ESD电容

ESD保护二极管的最主要的作用 ，是在ESD冲击发生时将电流引至地，来起到保护系统的作用 。ESD二极管在系统正常工作时，应该是处于完全隐形的位置，在现实世界中 情况并非如此。

因为二极管会具有干扰信号完整性的寄生电容，一个二极管是由一个PN节组成 ，其中包含一个正掺杂的P区和一个负掺杂的N区 。在PN节的中心还有一个高电阻率的耗尽层 。由于P和N掺杂区具有相对较低的电阻 ，如电容器的极板，并且耗尽区具有如电容器的电介质那样的高电阻，所以二极管具有电容特性，并且可视为一个电容。

如果二极管的寄生电容过高，则可能增加信号通过的上升和下降时间，这会对信号完整性造成伤害。

举个例子，对于一些高速的接口比如USB 3.0，或者HDMI 2.0，眼图测试是一项必须的测试，用来确保接口符合标准。但是，增加的电容值会增加信号的上升与下降时间，从而导致眼睛闭合 使得信号失真，无法满足信号标准的要求 。

那么，选择ESD二极管时应该选择哪种电容？不幸的是，由于每种设计都有自己的电容预算，因此不存在适合每种接口的最大ESD电容要求。但是这张表给出的几种常用接口的一般电容和ESD选型的建议。

如何选择合适的ESD器件

第一步是量化接口电压范围，以确定ESD二极管的工作电压。

第二步是选择极性，单向还是双向二极管 。

第三步是确定二极管在不干扰，二极管信号接受完整度的情况下，可以达到的最大电容。

第四步是决定受保护系统的IC的钳位电压

最后一步是确定ESD为IEC 61000-4-2 4级，8千伏接触放电 和15千伏空气放电。

让我们以USB 2.0为例

已经选择了USB 2.0开关和电池充电器，但都需要ESD保护，因为它们直接放置在容易受到ESD冲击的USB插座旁边。

第一步是确认接口的电压范围，对USB2.0而言，Vbus 可能达到5伏，所以我们可以确定的是，需要选取的ESD保护二极管的，工作电压需要达到5伏或略微高于5伏 。正常工作中 D+和D-负责传输差分信号，幅值范围在0到3.6伏之间 ，所以我会选择工作电压在3.6伏，或者更高的ESD保护二极管。

接下来 我们需要确定ESD二极管的极性配置，在我们希望的应用中 ，因为Vbus和D+ D-都是大于等于零的正向信号 ，所以单向和双向的二极管都是有的，选择单向二极管有助于提供更好的提供负压保护。而选择双向二极管，可以提供更灵活的设计空间，因为pin脚可以自定义接地 。

接下来，我们需要确定ESD二极管，应该具有的电容，因为Vbus线路是直流电信号，电容对信号无影响 。但对于D+和D-而言，在高速USB中，信号速率可以达到480兆，所以我们需要考虑对电容的影响 。虽然最大的ESD电容还取决于，整个系统的电容总预算 ，但一般而言 我们推荐该接口的电容小于2.5pF，如果系统中其器件具有更高的电容值 ，那么此处可能需要选择更小电容的二极管。

接下来 我们看看保护系统所需的钳位电压 ，在这种情况下，我们需要考虑USB switch和Battery Charger能承受的最大电压冲击 ，我们假设battery charger在TLP脉冲20伏时，会发生故障 USB。switch在TLP16脉冲16伏时会发生故障，这意味着为了保护battery charger ，顺利通过8000伏的IEC ESD冲击，ESD二极管必须在16安，TLP又小于20伏的钳位电压。同理 为了保护USB switch，ESD二极管必须在16安TLP时 ，有小于16伏的钳位电压。

设备的TLP的故障电压，与设备的绝对最大额定电压不相同 ，绝对最大电压是一个直流电压，而TLP是一个100ns的瞬态

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