详解TVS二极管（ESD保护二极管）一次说清楚原理、特性、选型及注意事项！

1、什么是TVS二极管（ESD保护二极管）？

ESD保护二极管是一种齐纳二极管。
当二极管反向偏置时，有很少的电流从阴极流向阳极。然而，当反向偏压超过某一点（称为反向击穿电压）时，反向电流突然增加。随着反向偏压增加，无论二极管流过的电流大小，二极管都会形成恒定电压区域。利用齐纳二极管击穿电压（齐纳电压）特性可以构成恒压稳压器，抑制浪涌电压。齐纳稳压二极管用于保持恒定电压，而ESD保护二极管用于吸收ESD能量，保护电路。　

1-1反向击穿电压

反向击穿电压由齐纳击穿或雪崩击穿决定。

齐纳击穿

当pn结反向偏置时，耗尽层延伸穿过pn结。电场造成耗尽层内p型区价带与n型区导带之间的间隙减小。因此，由于量子隧穿效应，电子从p型区价带隧穿到n型区导带。齐纳击穿是电子隧穿耗尽区导致反向电流突然增加的现象。齐纳击穿如图1.3所示。

雪崩击穿

当pn反向偏置时，少量电子通过pn结。这些电子在耗尽层被电场加速，获得较大动能。加速电子与晶格中的原子碰撞电离产生电子空穴。这些原子的电子被激发到导带并脱离，成为自由电子。自由电子也加速并与其他原子碰撞，产生更多的电子-空穴对，导致电子进一步脱离的过程。这种现象称为雪崩击穿。

雪崩击穿和齐纳击穿对比

高击穿电压二极管掺杂浓度低，因此形成宽耗尽层（禁带）。相反，低击穿电压二极管掺杂浓度高，所以它们形成窄耗尽层（禁带）。二极管耗尽层宽时，不太可能发生电子隧穿（齐纳击穿），主要为雪崩击穿。高掺杂浓度二极管耗尽层窄，更容易发生齐纳击穿。随着温度上升，禁带（Eg）宽度减小，从而产生齐纳效应。此外，随着温度升高，半导体晶格振动增加，载流子迁移率相应下降。因此，不太可能发生雪崩击穿。齐纳击穿电压随温度升高减小，而雪崩击穿电压随温度升高增加。通常，大多数情况下，齐纳击穿电压约为6V以下，雪崩击穿电压约为6V以上。请注意，即使同一产品系列的二极管，温度特性也不一样。

图1.3齐纳击穿

1-2使用不同类型保护二极管（ESD保护二极管和用于过压保护的齐纳二极管）

ESD保护二极管是一种齐纳二极管，专门用来保护电路免受过压浪涌，特别是静电放电（ESD）事件的影响。ESD保护二极管主要用于ESD短脉冲，以及脉冲宽度几微秒以下的雷电感应和开关浪涌保护。专门用于脉冲宽度大于ESD浪涌保护的齐纳二极管，称为浪涌保护齐纳二极管。这些齐纳二极管适用于雷电感应和开关浪涌引起的、脉冲宽度大于几微秒的过压脉冲电路保护。

ESD保护二极管专门用于过压浪涌，特别是ESD放电电路保护，而不会影响信号线波形。ESD保护二极管电容为0.12pF至100pF。浪涌保护齐纳二极管具有宽结，以便吸收大量浪涌能量。这类二极管的总电容为100pF至600pF，适用于雷电感应和开关浪涌的保护。表1.2显示ESD保护二极管和浪涌保护齐纳二极管适用于不同类型过压浪涌脉冲：

保护二极管是一种齐纳二极管。齐纳二极管不仅可以用作保护二极管，还可以用作稳压器。保护二极管专门用于保护电路免受ESD和其他瞬变脉冲的影响。相比之下，用于稳压的齐纳二极管击穿模式下保持导通。

保护二极管

保护二极管用作浪涌保护电压钳。这类二极管在电路施加电压过大时导通。

稳压二极管

当小电流（IZ）从阴极（K）流到阳极（A）时，二极管两端的电压可用作恒压源（VZ）。可用功率受二极管允许功耗及安装板允许功耗的限制。

图1.7稳压二极管的工作原理

2、TVS二极管（ESD保护二极管）的基本工作原理

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

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。

3、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
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。

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

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。

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。

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（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（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。

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（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。

图3.11 ESD保护二极管浪涌吸收工作原理

选择正确的ESD保护二极管，请注意第3节介绍的主要电气特性。

1.保持被保护信号的质量
a）信号线电压
根据被保护信号线的最大电压，选择具有相应反向击穿电压（VBR）或工作峰值反向电压（VRWM）的ESD保护二极管。
b）信号极性
跨GND电平信号（如模拟信号），使用双向ESD保护二极管。
c）信号速度
根据被保护信号线的最大频率，选择总电容（CT）合适的的ESD保护二极管。

2.增强ESD保护性能
d）动态电阻
选择动态电阻（RDYN）尽可能低的ESD保护二极管。
e）钳位电压
根据所需VRWM选择最小钳位电压（VC）的ESD保护二极管。
务必选择VC低于受保护器件耐受电压的二极管。

3.ESD保护二极管ESD耐受性
f）IEC 61000-4-2
选择保证ESD性能高于系统ESD抗扰度要求的ESD保护二极管。
但请注意，ESD保护二极管的ESD性能通常与其总电容成正比。
g）IEC 61000-4-5
选择电气额定值高于峰值脉冲功率和峰值脉冲电流要求的ESD保护二极管。

4、TVS二极管 (ESD保护二极管) 的布局注意事项

不要将任何电路板走线与可能引入ESD脉冲的信号走线并行。特别是，避免ESD抗扰度低的器件电路板走线与可能受ESD事件影响的电路板走线并行。

绝对最大额定值

定义
ESD保护二极管最大额定值指最大允许电流、电压、功耗和其他电气特性。电路设计中，为了获得ESD保护二极管最佳性能并且保持器件目标工作寿命周期的可靠性，了解最大额定值至关重要。为保证ESD保护二极管使用寿命和可靠性，不得超过最大额定值。ESD保护二极管根据绝对最大额定值机制定义最大额定值。绝对最大额定值指任何条件下，即使瞬间也不得超过的最高值。如果施加的应力超过规定的额定值，器件可能会永久损坏。不得超过任何绝对最大额定值。因此，应注意电源电压波动、电子器件电气特性变化、电路调整过程中应力可能高于最大额定值、环境温度变化、输入信号波动等情况。应考虑的主要额定值包括ESD保护二极管的ESD容限、峰值脉冲功率、结温和存储温度。这些参数相互关联，不能单独考虑。它们还取决于外部电路条件。尽管绝对最大额定值通常规定的环境温度（Ta）为25°C，但有些规定参数温度条件不同。

静电放电电压（IEC 61000-4-2）（接触），VESD
指接触放电ESD容限，即通过与受保护器件直接接触放电。ESD容限是根据国际电工委员会（IEC）IEC 61000-4-2标准规定的方法和ESD波形测量的。规定的VESD值是测试波形的峰值。

静电放电电压（IEC 61000-4-2）（空气），VESD
指空气放电ESD容限，即被测器件（EUT）与放电枪之间通过空气层放电。IEC 61000-4-2规定了试验方法和ESD波形。

峰值脉冲功率（tp＝8／20μs），PPK
PPK是ESD保护二极管本身损坏之前可以分流的最大浪涌功率。图6.1显示使用8／20μs脉冲波形测量的峰值脉冲功率。(8／20μs表示波形上升到100%需要8μs，从100%下降到50%需要20μs。)

峰值脉冲电流（tp = 8／20μs），IPP
IPP是ESD保护二极管本身损坏之前可以分流的峰值脉冲电流。
图6.1显示使用IEC 61000-4-5规定测试波形测量的峰值脉冲电流。

结温，Tj
Tj是ESD保护二极管可以不劣化或自损坏的情况下工作的最高结温。

存储温度，Tstg
Tstg是ESD保护二极管不加电压的情况下可以存储和运输的环境温度范围。

5、TVS二极管（ESD保护二极管）的电气特性

电气特性

工作峰值反向电压，VRWM
电压低于工作峰值反向电压时，ESD保护二极管阻抗非常高。（即使施加工作峰值反向电压，也只有小于规定漏电流的电流流过。）设计师可以用这个参数作为指导，确保其高于被保护信号线的最大工作电压。

总电容，Ct
CT是在指定反向电压和频率下施加小信号时，二极管端子上的等效电容。总电容是二极管的结电容与其封装的寄生电容之和。结电容随反向电压的增加而减少。

动态电阻，RDYN
动态电阻是指ESD保护二极管随着反向电压的增加反向击穿时，VBR与VC之间VF–IF 曲线的电流斜率。下面描述的动态电阻和钳位电压表示ESD保护二极管的ESD性能。

反向击穿电压，VBR
反向击穿电压是ESD保护二极管在规定条件下（通常定义为1mA，尽管因器件而异）开始传导规定量电流时的电压。VBR最初是为齐纳二极管定义的参数。VBR定义为ESD保护二极管导通电压。

反向电流，IR
反向电流是ESD保护二极管在规定电压下反向偏置时，反向流动的漏电流。对于ESD保护二极管，IR按工作峰值反向电压（VRWM）定义。

钳位电压，VC
钳位电压是ESD保护二极管指定峰值脉冲电流条件下最大钳制电压。VC通常在多个峰值脉冲电流点测量。如第6节（图6.1）所示，峰值脉冲电流使用8／20μs波形。动态电阻和钳位电压代表ESD保护二极管的ESD性能。

图7.1 ESD保护二极管电压-电流曲线