完整教程：ESD保护设计指南

完整教程：ESD保护设计指南 - littelfuse

news/2025/10/15 11:05:48/文章来源:https://www.cnblogs.com/wzzkaifa/p/19142852

引言：

如今，电子设备的设计师们要求设备具备更多功能，同时拥有更强的灵活性以及更高水平的用户交互性。这些情况推动了适用于多种用户界面或端口的纳米级芯片组的发展。这些更小的尺寸与更广泛的应用类型相互结合，使得电子元件更容易受到静电放电（ESD）的影响，因此需要更可靠的解决方案。
静电放电标准：
MIL - STD - 883E，方法 3015.7
从历史上看，模拟和数字设计师一直被要求在芯片上设置静电放电防护，以在制造过程中保护集成电路（IC）。在制造环境中最常用的静电放电标准是 MIL - STD - 883E，办法 3015.7。它也被称为人体模型（HBM）。该模型借助一个 1500Ω 的电阻，将一个 100pF 的电容器放电到被测设备（DUT）中。下表指出了该标准中定义的四个测试等级。
在这里插入图片描述
直到 2007 年，典型集成电路所需的最高等级一直是 ±2 千伏，但如今这一等级已大幅降至 ±0.5 千伏。显然，这有助于芯片设计师节省宝贵的硅片面积以实现更多功能，但反过来，也使集成电路更容易受到静电放电（ESD）的损坏。

IEC61000-4-2
相反，设备制造商传统上会采用国际电工委员会（IEC）定义的静电放电标准来进行环境或应用级别的测试。该模型利用一个 150 皮法的电容器，通过一个 330 欧姆的电阻放电。下表展示了该标准中定义的接触放电的四个测试等级。
在这里插入图片描述
所有制造商都要求其设备至少通过 4 、8 kV ± 8 kV 等标准，但有些制造商正在寻求更高的可靠性，并要求其设备通过更高的 15kV 或 ±30kV ±等标准。
MIL-STD，并且设备制造商根据 IEC 规范在 8kV 下测试相同的 °C，则芯片的初始峰值电流将增加近 100 倍（即 0 .33A 与 30A）！最终，硬件或设备设计人员必须添加补充 ESD 设备，以保护这些敏感芯片组，以保护现场出现的高 ESD 环境。就是结论：与军用标准相比，IEC 定义的 ESD 测试产生了峰值电流的大幅增加。如果 IC 的额定值为 0.5kV pe

解决方案

Littelfuse TVS 二极管阵列（SPA 二极管）是抑制 ESD 的理想选择，因为它们的开关速度和卓越的箝位水平是保护当今额定电路的重要条件，超越了 M LV、M OV 和聚合物技术的能力。TVS 二极管阵列产品组合提供了一系列适合当今市场中可用的应用需求的组件，本指南将指导设计人员为他们尝试的特定应用提供合适的 ESD 组件。
本文所涉及的接口如下：
USB1.1/2.0/3.0 /3.1
HDMI
DVI
Ethernet 10/100/1000 Mbps
2.5 and 5 Gigabit Ethernet
xDSL
eSATA
1394a/b
LVDS
Audio (Speaker/Microphone)
Analog Video
SIM Soc kets
Keypad/Push button
CAN bus and LIN bus
Touchscreen

所涉及的产品领域:
Laptops/UItrabooks
M P3/PMP
Portable Medical Devices
PDA’s
Set Top Boxes
Digital Cameras
LCD TV’s
Smart Phones
Portable Navigation Devices
External Storage
Keyboards/Mouse
Switch/Router/Hub
Gaming Consoles
Gateways

USB1.1

考虑因素：
每个端口的工作速度分别为 1.5Mbps 或 12Mbps（分别为低速和高速）。
尽管速度相对较慢，但仍需考虑寄生电容的影响，源于其容值可达数十皮法。
每个端口应该配备两条数据线保护通道（即 D±）假设要保护一个具有两个端口的 USB 接口，使用一个 4 通道设备可能会很有用，这样能够将静电放电（ESD）的影响范围控制得尽可能小。
VBUS可以单独通过一个单通道装置进行保护，其封装形式为 0402 或 0201（所示为 0402）。
VBUS的保护功能是可选的，可以经过单通道设备实现，也可能与 D± 的保护功能一起在单个 3 通道设备（如 SP0503）中实现。
应用原理图：
在这里插入图片描述

USB2.0

每个端口最高可运行于 480Mbps 速率，高数据速率要求应用低电容器件，以保证信号完整性。
每个端口需要 2 路数据线保护（即 D + 和 D-），可利用阵列器件或分立器件达成。
若要保护包括 2 个端口的 USB 组，并尽可能减小静电放电（ESD）防护电路的占用空间，4 通道器件会十分实用。
对电源总线（VBus）的保护为可选设置，可凭借单通道器件（如 SP1003）达成。
在这里插入图片描述

USB3.0（双器件解决方案）

每个端口的运行速率取决于其所连接的设备，具体如下：
通过新增的超高速数据线对（SSTX± 和 SSRX±），速率最高可达 5Gbps。
通过传统数据线对（D±），速率最高可达 480Mbps
超高速数据线对（即 SSTX± 和 SSRX±）需 4 通道超低电容器件进行保护。
传统 D± 数据线对需 2 通道器件进行保护。
电源总线（VBus）的保护为可选配置，可通过单通道器件实现。
SSTX±（SuperSpeed Transmit Positive/Negative）：USB3.0 新增的超高速发送差分数据线对，负责传输超高速数据。
SSRX±（SuperSpeed Receive Positive/Negative）：USB3.0 新增的超高速接收差分数据线对，负责接收超高速数据。
传统数据线对：指 USB2.0 及更早版本中已有的 D± 数据线对，USB3.0 保留该数据线对以实现向下兼容。
USB3.0 超高速信号对寄生电容极为敏感，需采用超低电容防护器件，避免信号完整性受损。
在这里插入图片描述

USB3.0（集成解决方案）

每个端口的运行速率取决于其所连接的设备，具体如下：
凭借新增的超高速数据线对（SSTX± 和 SSRX±），速率最高可达 5Gbps。
通过传统数据线对（D±），速率最高可达 480Mbps。
超高速数据线对（即 SSTX± 和 SSRX±）需 4 通道超低电容保护，传统 D± 数据线对需 2 通道保护。
如下所示的 SP3012（原文 “SP3o12” 中 “o” 为拼写误差，已修正为数字 “0”）将全部 6 通道保护集成到一个小型 μDFN-14 封装中。
悬浮电源（Vsus）的保护为可选配置，可凭借单通道器件（如 SP1003，原文 “SP1o03” 中 “o” 为拼写误差，已修正为数字 “0”）实现。
补充术语说明：
Integrated Solution（集成解决方案）：指将多个功能（此处为 USB3.0 所需的全部 6 通道保护功能）整合到单一器件中的方案，相比分立器件方案可减少电路占用空间、简化设计。
一种小型表面贴装封装形式，“14” 代表该封装有 14 个引脚，具有体积小、散热性好的特点，适合高密度电路设计。就是μDFN-14 Package（μDFN-14 封装）：μDFN（Micro Dual Flat No-Lead，微型双列无引脚）
Vsus（Suspended Voltage）：即悬浮电源，是 USB 接口中用于特定效果（如唤醒、待机模式供电）的电压线路，其保护需求根据具体应用场景决定，故此处标注为 “可选”。
Ultra-low Capacitance Protection（超低电容保护）：USB3.0 超高速信号对寄生电容极为敏感，超低电容保护器件可最大限度减少对信号完整性的影响，确保 5Gbps 速率稳定传输。
在这里插入图片描述

USB3.1（Type-C 兼容性）

超高速 +（SuperSpeed+）线路的运行速率最高可达 10Gbps，因此需要最低的单向电容。
配置控制（Configuration control）为逻辑线路，有助于确定连接的极性以及电压传输电平。
SBUx用于支撑SuperSpeed+线路上的 DisplayPort（显示端口）通信。
在 Type-C 协议下，USB 2.0 是双向接口，这与传统的 USB 2.0 有所不同。
在这里插入图片描述

HDMI

每个端口包括 3 组差分数据对（即 D0±、D1±、D2±）以及 1 组时钟对（CLK±）：
对于 HDMI 1.1-1.2 版本，最大总吞吐量为 4.95Gbps（每通道 1.65Gbps）；
对于 HDMI 1.3-1.4 版本，最大总吞吐量为 10.2Gbps（每通道 3.4Gbps）；
对于 HDMI 2.0 版本，最大总吞吐量为 18Gbps（每通道 6.0Gbps，原文 “6.oGbps” 为数字 “0” 的笔误，已修正）。
为符合 HDMI 兼容性测试规范（HDMI Compliance Test Specification）要求的差分阻抗（进而保证信号完整性），必须使用极低电容的器件。
为维持差分阻抗，设计人员应避免使用 90 度拐角和过孔（vias）。
这一需求可利用采用具备 “直连”（straight-through）布线方案的 ESD（静电放电）器件达成。
需要 12 通道的保护：包括 8 组 TMDS（最小化传输差分信号）数据对、SDA、SCL、CEC、HPD（热插拔检测）；此外，也可考虑选用 SP3012-06 器件。

HDMI（含以太网和 5V 电源保护）

基本要求与前一页所述一致，不同之处在于以下保护方案包含了额外的以太网引脚和 5V 电源引脚的保护选项。
还存在其他组合方案，例如启用 3 个 SP0524P 器件与 1 个 SP3003-02UTG 器件（用于以太网保护），以及多种采用分立器件的组合方案。
在这里插入图片描述

DisplayPort

每个端口均配备一条主链路（Main Link），该主链路包含 4 组差分对（或称通道），即 ML0±、ML1±、ML2± 和 ML3±；其总吞吐量为 32.4Gbps，换算下来每通道吞吐量为 8.1Gbps。
时钟信号嵌入在各通道中，并非像 HDMI 那样单独存在。
此外，还包含一条辅助通道（AUX±）、一个热插拔检测引脚（HPD）以及一个电源引脚（PWR）。
为维持差分阻抗（进而保证信号完整性），必须使用极低电容的器件。为维持差分阻抗，设计人员应避免使用 90° 拐角。
这一需求可通过采用具备 “直连”（straight-through）布线方案的 ESD（静电放电）器件建立。
每个端口需 12 通道的保护（涵盖 ML0±、ML1±、ML2±、ML3±、AUX±、HPD 和 PWR），而 2 片 SP3012-06UTG 器件将是另一种可选方案
。
补充说明
Main Link（主链路）：是 DisplayPort 中用于传输高带宽视频、音频资料的核心链路，4 组差分对的设计使其能支持高分辨率、高刷新率的显示需求，32.4Gbps 的总吞吐量是 DisplayPort 1.4 版本的典型速率指标。
AUX±（辅助通道）：为低带宽双向通道，主导用于传输设备配置信息、控制指令等，例如显示器的 EDID（扩展显示识别数据）信息就通过该通道传输。
在这里插入图片描述

DVI

一个 DVI 端口可能具备单链路（Single Link）或双链路（Dual Link）功能。
每条链路包含 3 组差分数据通道（即 D0±、D1±、D2±）以及 1 组时钟通道（CLK±）。
对于单链路，最大总吞吐量可达 4.95Gbps，即每通道 1.65Gbps；
对于双链路，最大总吞吐量可达 8Gbps，即每通道 2.67Gbps。
为保证信号完整性，必须使用极低电容的器件。
为维持差分阻抗，设计人员应避免使用 90° 拐角和过孔（vias）。
这一需求可通过采用具备 “直连”（straight-through）布线方案的 ESD（静电放电）器件实现。
每个端口需 8 通道的保护（涵盖 D0±、D1±、D2±、CLK+）；若存在反向驱动（backdrive）风险，则不应连接电源（Vcc）。
DVI（Digital Video Interface）：即数字视频接口，是早期常用的视频传输接口，首要用于连接计算机与显示器、投影仪等显示设备，按链路数量分为单链路（DVI-S）和双链路（DVI-D），双链路可支持更高分辨率与刷新率。
反向驱动（backdrive）：指电路中信号或电流反向传输的现象，可能导致器件损坏或信号干扰，因此在存在该风险的场景下，明确要求不连接 Vcc（电源正极）以规避隐患。
ESD 器件：此处用于保护 DVI 接口免受静电放电冲击，“直连布线” 设计是为避免因器件布局导致信号路径弯折，从而保障差分阻抗稳定，进一步维持信号完整性。
在这里插入图片描述

以太网（楼宇）

10/100/1000 与数据速率相关，分别对应 10Mbps、100Mbps 和 1000Mbps。
对于 10Base-T，数据通过 2 对非屏蔽双绞线传输，采用 10MHz（兆赫兹）时钟。
对于 100Base-TX，资料通过 2 对非屏蔽双绞线传输，采用 125MHz 时钟；
对于 1000Base-T，数据通过 4 对非屏蔽双绞线传输，采用 125MHz 时钟。

对于上述材料速率，为保证信号完整性（即速率和传输距离能力），需考虑寄生电容。以下 4 条数据线（发射端正负线 Tx± 和接收端正负线 Rx±）采用两级保护方案，以抵御楼宇内雷击瞬变（即 10A 电流，脉冲时间 tp=2/10 微秒，μs）。
1000Mbps 以太网（或 1GbE，即 1 千兆以太网）需为 4 对差分线提供 8 路保护，因此需对其余 2 对数据线重复采用以下保护方案。
在这里插入图片描述