TVS二极管（ESD保护二极管）的基本工作原理

图2.1 ESD保护二极管的应用示例和基本工作原理

ESD保护二极管插在信号线与GND之间，保护受保护器件（DUP）免受电压浪涌的影响。正常工作模式下（即没有ESD浪涌情况），除极少量电流（IR）流过二极管使其反向击穿电压（VBR）高于信号线电压之外，几乎没有电流流过ESD保护二极管。当高于反向击穿电压 （VBR）的浪涌电压进入信号线时，ESD保护二极管将大量电流分流到GND，从而抑制浪涌电压低于反向击穿电压（VBR）。

2-1等效电路及优点

图2.2 ESD保护二极管的等效电路

正常工作期间 ESD保护二极管通常放在信号线与GND之间。因此，这些二极管在稳态下充当电容器。由于它们的电容和信号线的电阻组成低通滤波器（LPF），因此ESD保护二极管会造成插入损耗（IL），降低信号质量，取决其速度（特别是USB 3.0和USB 3.1等高速信号质量）。

浪涌电压情况下 当浪涌或外部噪声通过连接器进入系统时，对后面器件（如IC）的影响很大程度上取决于是否有ESD保护二极管。没有ESD保护二极管，浪涌电流全部直接流入敏感器件，造成器件故障或损坏。如果电路有ESD保护二极管，大部分浪涌电流通过它们分流到GND。ESD保护二极管动态电阻（Rdyn）表示浪涌电流分流到GND的难易程度。低动态电流ESD保护二极管能将更多浪涌电流分流到GND。这种二极管也有助于降低动态电阻，即端子之间电阻的电压（称为钳位电压）。ESD保护二极管动态电阻低，可减小流入受保护器件（DUP）的浪涌电流，从而为DUP提供更可靠保护。

TVS二极管（ESD保护二极管）的主要电气特性

正常工作状态（无ESD事件）的主要特性 由于ESD保护二极管反向连接，正常工作时，其两端电压低于反向击穿电压（VBR）。因此，ESD保护二极管正常工作时不导通。此时，pn结形成耗尽层，二极管起电容器作用。选择ESD保护二极管时，以下三个注意事项适用于正常工作状态：

3-1-1 ESD保护二极管反向击穿电压（VBR）是否充分高于被保护信号线的振幅（最大电压） 3-1-2 ESD保护二极管总电容（CT）相对于受保护信号线的频率是否足够低d 3-1-3 信号极性（即信号电压是否像模拟信号一样跨GND电位）

ESD事件保护主要特性 当静电放电（ESD）进入系统时，ESD保护二极管要么导通，要么反向击穿。单向ESD保护二极管通过正ESD电击时反向击穿，负ESD电击时导通吸收ESD能量。防止ESD脉冲损坏被保护器件（DUP），需要注意以下三点：

3-2-1 低动态电阻（RDYN） 3-2-2 低钳位电压（VC）和第一峰值电压 3-2-3 ESD保护二极管吸收不同极性ESD脉冲工作原理

3-1正常工作状态（无ESD事件）的主要特性（1）

3-1（1）ESD保护二极管反向击穿电压（VBR）是否充分高于被保护信号线的振幅（最大电压）

ESD保护二极管两端电压接近反向击穿电压（VBR）时，漏电流增加。电压接近VBR时，漏电流可能使保护信号线的波形失真。反向电流（IR）随反向电压（VR）成指数增长。选择VRWM高于被保护信号线振幅的ESD保护二极管非常重要。

图3.1反向击穿电压与信号线电压

图3.2 ESD保护二极管漏电流

3-1正常工作状态（无ESD事件）主要特性（2）

3-1（2）ESD保护二极管总电容（CT）相对于受保护信号线的频率是否足够低

F图3.3显示ESD保护二极管的等效电路。二极管在正常工作期间不导通。此时，pn结交界面形成耗尽层，如图3.3所示。耗尽层在电气上起电容的作用。因此，除非在考虑被保护信号线频率的基础上，正确选择ESD保护二极管，否则信号质量会下降。图3.4显示了总电容（CT）分别为5pF、0.3pF和0.1pF的ESD保护二极管插入损耗特性。电容大的二极管插入损耗高（如图所示，特性曲线负值变化较大），从而限制了可使用的频率范围。例如，在Thunderbolt（带宽为10Gbps，相当于5GHz的频率）的情况下，电容小（0.1pF至0.3pF）的ESD保护二极管插入损耗小，几乎不会影响二极管传输的信号，而5pF电容的ESD保护二极管插入损耗大，通过二极管的信号明显衰减。

图3.3 ESD保护二极管总电容

图3.4 ESD保护二极管总电容与插入损耗　　　　　

图3.5 EAP电路配置

降低总电容 （总电容由二极管结电容和封装中的寄生电容组成。其中很大一部分是结电容。）

反向偏置时，二极管因pn结（p:p型半导体，n:n型半导体）形成耗尽层产生电容。与电容相

反，耗尽层起阻挡层的作用，只有少数载流子通过。降低半导体区掺杂浓度会增加耗尽层宽

度。因此，为了减小二极管的电容，有必要减小pn结面积或提高反向击穿电压（VBR），但

任何一种方式都会导致ESD抗扰度下降。当两个二极管串联时，它们的组合电容减小。此

外，二极管反向ESD能量耐受性比正向差。东芝低电容（Ct）ESD保护二极管采用ESD二极

管阵列工艺（EAP）制造，多个二极管组合在一起减小电容，不影响ESD抗扰度。

图3.5显示EAP配置中低电容ESD保护二极管电路图。它由三个二极管组成：低电容二极管1

和二极管2（电容分别为C1和C2）和高电容二极管3（电容为C3）。二极管1和二极管2的pn

结面积小，反向击穿电压（VBR）高，而二极管3的pn结面积大，并且有足够大的反向击穿

电压（VBR）。加到阳极的ESD电流沿正向流过二极管1，加到阴极的ESD电流沿正向流过二极管2，然后反向流过二极管3，因为二极管3的VBR 低于二极管1。通常，二极管反向ESD能量耐受性低于正向。由于二极管1和二极管2的pn结面积较小，因此它们的反向ESD能量耐受性更差。然而，ESD保护二极管配置如图3.5（a）所示时，ESD电流不会反向流过二极管1和二极管2。因此，这个电路整体上提高了ESD抗扰度。图3.5（b）显示这个ESD保护二极管的等效电容电路。低电容二极管2和高电容二极管3串联，可以减小组合电容。此外，由于该电路VBR由二极管3的VBR决定，因此可以根据被保护的信号线调整二极管3的VBR，从而提高ESD抗扰度。

图3.6粗略总电容与信号频率

粗略总电容与信号频率

根据信号频率选择ESD保护二极管时，可参考图3.6。

3-1正常工作状态（无ESD事件）的主要特性（3）

图3.7单向与双向极性

3-1（3） 信号极性（即信号电压是否像模拟信号一样穿过接地（GND）电位）

考虑到要保护的信号线的极性，有必要选择单向或双向 ESD 保护二极管。不同类型的二极管用于仅正向摆动的未调制数字信号（例如，0V（逻辑低电平）与5V（逻辑高电平）之间），以及电压可正可负的无偏压模拟信号。双向ESD保护二极管可用于高于和低于GND范围的信号，如下图所示。（单向和双向二极管均可用于电压仅为正或仅为负的信号。)

3-2 ESD事件保护的主要特性（1）

图3.8 ESD保护二极管动态电阻与流入受保护器件的电流

3-2（1）低动态电阻（RDYN）

在发生ESD冲击时，ESD电流同时流入ESD保护二极管和受保护器件（DUP）。这种情况下，减少流入受保护器件的电流（即增加分流到ESD保护二极管的电流）是十分重要的。目前，ESD保护二极管数据表含有动态电阻（RDYN）。RDYN是反向导通模式下VF–IF曲线的斜率。如果发生ESD冲击，给定电压下，低动态电阻ESD保护二极管可以传输更大电流。从连接器端看，ESD保护二极管和受保护器件的阻抗可视为并联阻抗。如果ESD保护二极管阻抗（即动态电阻）低，则大部分浪涌电流可通过ESD保护二极管分流，减少流入受保护器件的电流，从而降低损坏的可能性。

图3.9 ESD保护二极管动态电阻的作用

图3.9说明如何计算ESD保护二极管的动态电阻（RDYN），以及ESD电击时浪涌电流的流向。如果ESD保护二极管阻抗（即动态电阻）低，则大部分浪涌电流可通过ESD保护二极管分流到地（GND），从而减少流入受保护器件的电流。因此，ESD保护二极管有助于防止手保护啊器件因ESD冲击而损坏。传输线脉冲（TLP）测试用于纳秒级宽度短脉冲，根据随时间变化的电流-电压关系可研究二极管的电流-电压（I-V）特性。下图中，TLP I和TLP V分别代表电流和电压。

3-2 ESD事件保护的主要特性 (2)

图3.11 ESD保护二极管浪涌吸收工作原理

3-2（2）低钳位电压（VC）和第一峰值电压

图3.10显示采用IEC 61000-4-2规定ESD波形时，高低钳位电压（VC）ESD保护二极管的波形效果。这些波形采集于受保护器件（DUP）输入端。具有低VC 的ESD保护二极管在30ns和60ns处钳位电压低于具有高VC 的ESD保护二极管。ESD波形曲线下的面积越小，受保护器件（DUP）受到的损坏越小。因此，具有低VC的ESD保护二极管可提供更好的ESD脉冲保护。此外，一些ESD保护二极管在ESD进入后不会立即响应。因此，如果ESD脉冲第一峰值电压高于ESD保护二极管的VC，则可能施加到受保护器件，造成故障或破坏。ESD保护二极管响应速度高于其他类型保护器件。此外，东芝正在优化芯片工艺和内部器件结构，进一步降低第一个峰值电压，从而在初始阶段对ESD峰值电压提供更可靠的保护。

3-2 ESD事件保护的主要特性（3）

图3.11 ESD保护二极管浪涌吸收工作原理

3-2（3）ESD保护二极管吸收不同极性ESD脉冲工作原理

单向和双向ESD保护二极管可吸收正负ESD脉冲。