在冬季或夏季干燥气候下，您可能在下车时经历过短暂的电击，尤其是在触摸车门金属部分时。这种电击或许令人不适，但您能想象它对精密电子设备的影响吗？例如，您是否曾经拿起智能手机或平板电脑，发现某些按钮或数据端口无法正常工作？这些以及其他现实生活中的例子，都可能是同样的“电击”直接作用于设备本身，而非汽车金属结构所致。虽然静电放电不会像手机爆炸那样造成灾难性后果，但我们确实会注意到，键盘或按钮在遭受未加防护的静电放电后停止工作。同样，端口（例如 USB 或以太网端口）在连接到其他设备时，也可能由于此类放电造成的损坏而无法正常工作。.
这些静电放电事件的根源在于一种被称为“摩擦起电”的现象，当两种材料接触后迅速分离时就会发生这种现象。两种材料之间会发生电子交换，导致一种材料带正电，另一种材料带负电。这种现象会导致静电放电，其强度取决于多种因素，例如接触面积、分离速度、相对湿度以及材料的化学特性。这个过程每天发生数千次，在大多数情况下不会引起注意，只要放电强度不足以造成轻微而短暂的不适（例如，在地毯上行走或触摸门把手）。产生的电荷量可以从几百伏到几万伏不等。以下列举了一些静电放电事件的例子：
由于对硅元件尺寸和加工工艺的要求不断提高，静电放电 (ESD) 对当今精密且成本敏感的消费电子产品而言是一个严重的问题。ESD 屏蔽结构体积庞大且成本高昂，难以集成到硅集成电路封装中；因此，芯片供应商正在取消或大幅降低内部 ESD 保护。然而，一旦集成电路被安装到消费产品中，它们可能会遭受不如工业环境中那样得到有效控制的静电放电。.
历史上，集成电路制造商一直采用专门针对工业环境的静电放电 (ESD) 测试模型（MIL-STD-883 方法 3015：人体模型），而关注实际应用中 ESD 事件的设备制造商则采用国际电工委员会 (IEC) 在 IEC 61000-4-2 标准中定义的更为严格的模型。截至本文撰写之日，大多数芯片供应商使用人体模型 (HBM) 在 500V 电压下测试其产品，而终端设备制造商则采用 IEC 61000-4-2 标准在 8000V（甚至更高）电压下进行测试。.
以下是众多芯片供应商采用的人体模型 (HBM) ESD 电流与 IEC 61000-4-2 中描述的环境 ESD 事件（许多消费者会无意中对其设备造成损坏）之间的比较：
可以看出，人体模型 (HBM) 下的最坏情况静电放电 (ESD) 水平远低于 IEC 61000-4-2 标准预测的最坏情况 ESD 电流水平（红色高亮部分）。该标准中描述的 8kV 事件，与 HBM 预测的相同电压事件相比，电流增加了 5.6 倍。因此，不能保证能够承受 HBM 测试（工业环境测试条件）的芯片组在实际应用中也能承受，因为实际应用中静电放电的暴露程度要大得多。最后，如前所述，大多数芯片供应商仅使用人体模型进行 500V 测试，与现场 8kV ESD 瞬态相比，芯片组的电流将增加近 100%，如果设计中没有 ESD 保护，这几乎肯定会导致芯片组报废。.
近年来，应用测试要求日益严格：8kV ESD 事件已成为最低标准。测试电压往往达到 20kV 甚至 30kV，而集成电路制造商为了提高功能性，不断移除屏蔽层以节省硅片面积。下图展示了芯片组 ESD 防护能力与实际应用中 ESD 暴露水平之间的差距，凸显了对额外 ESD 保护日益增长的需求。.
选择合适的静电放电 (ESD) 保护方案对于任何消费电子设备的寿命都至关重要。
选择合适的 ESD 保护器件（通常称为“TVS 二极管”，即“瞬态电压抑制器”）对于确保最终应用能够承受冲击并按设计持续运行至关重要。动态电阻是 ESD 保护中非常重要的因素，甚至是选择保护元件时需要考虑的最重要因素。每种保护方案都具有与其阻断特性相关的固有电阻值。理想的方案应尽可能降低这种固有电阻，以便在过电压事件发生时，保护方案与地之间的阻抗路径最短。
下图展示了这种情况。在静电放电 (ESD) 事件期间，阻断器件导通，即从其标称高阻抗状态切换到低阻抗状态。如果其串联电阻较高，则器件两端会产生高电压 (V = I*R)，这意味着它对集成电路的保护效果较差。如果串联电阻较低，则保护器件两端产生的电压会降低，因此芯片的暴露水平也会降低。这种较低的动态电阻（保护器件在阻断模式下的电阻值）允许更多的过电压从集成电路分流到地，如下图所示。Littelfuse TVS 二极管旨在实现尽可能低的动态电阻值，以最大限度地减少保护器件上的总压降，并最大限度地增加流经该器件的电流（而不是流经受保护芯片的电流）。.
一般来说，硅保护器件能提供最佳的静电放电防护，因为其动态电阻本质上低于其他解决方案，例如聚合物、陶瓷等。硅元件的典型动态电阻范围为 0.2 Ω 至 3.0 Ω，具体取决于供应商，而相同电容的陶瓷元件的平均动态电阻范围为 2 Ω 至 5 Ω。.
下图显示了硅元件及其压敏电阻对在承受 8kV 静电放电瞬态冲击时允许通过的能量差异。图中清晰可见上电时的显著初始差异以及最终阻断电压下的差异。两条曲线之间的差异（箭头所示）代表集成电路或芯片组必须能够承受的能量，以防止损坏或过早失效。.
在满足防护需求的同时，还要符合国际标准。
消费电子产品，例如液晶电视、智能手机、平板电脑、电子阅读器、机顶盒、游戏机、数码相机、音频播放器等，似乎永无止境，并且不断发展。然而，这些设备上的端口或接口非常常见，并且由于它们是设备与外部世界的接口，因此需要静电放电防护。几乎所有消费电子产品都具备以下部分或全部特性：
1) 交流电源/输出
2) 直流电源/输出
3) 电池
4) 键盘/按钮
5) 视频信号（HDMI、S端子、复合视频、液晶模块）
6) 音频输出
7) 低速数据接口（USB 1.1、IEEE 1394、RS-232C、RS-485）
8) 高速数据接口（USB 2.0、USB 3.0、100BaseT、1000BaseT）
9) 有线电视/射频输入/输出
其中一些功能需要符合国家安全标准，这意味着它们必须具备过电流和过电压保护功能。其他功能可能需要具备防静电放电等环境因素的保护功能，以及防附近由高感性负载设备（例如吸尘器）频繁启停引起的放电或快速瞬变电流 (EFT) 的功能。.
直接连接到交流电源（120 至 250VACrms）的产品可能会受到强烈的过电压瞬变（例如雷击、负载切换等）以及短路/过载的影响。为了应对这种高强度的暴露，必须结合使用过电流保护元件（熔断器或正温度系数 (PTC) 器件）和过电压保护元件（金属氧化物压敏电阻 (MOV)、瞬态电压抑制器或 TVS 二极管）。可能明确要求此类保护的标准包括：
1) IEC 61000-4-4（EFT 用户环境）
2) IEC 61000-4-5（雷击引起的过电压）
3) IEC/EN 60950-1（安全标准）
含有交流或直流适配器的便携式消费电子产品可能会受到特定的静电放电和低强度电击的影响，因此必须提供相应的防护措施。以下是一些可能明确要求此类防护的标准：
1) IEC 61000-4-2（静电放电用户环境）
2) IEC 61000-4-5（雷击引起的过电压）
键盘和其他类型的手动操作界面按钮可能成为静电放电破坏能量的入口。音频线路由于扬声器线和手动接触，也可能面临类似的静电放电风险。S端子、复合视频和HDMI连接器也容易受到静电放电的影响，因为它们是手动操作的。电池组应用同样面临静电放电风险，以及潜在的过电流泄漏风险，必须采取防护措施（IEC 61960和IEC 62133标准专门针对这些情况）。低速和高速数据线也可能受到静电放电的影响，并且根据其位置，还可能受到雷击引起的浪涌的影响。通常适用于这些应用的标准如下：
1) IEC 61000-4-2（静电放电用户环境）
2) IEC 61000-4-5（雷击引起的过电压）
以下示例展示了消费品各种功能类型的可能解决方案：
结论与总结：
静电放电等过电压瞬变对消费类产品造成的损害风险日益增加。随着集成电路设计人员不断增加芯片组的功能，其抗静电放电能力显著下降，因此必须使用外部保护元件。设备制造商使用国际标准IEC 61000-4-2对其设备进行测试，并为了确保产品的预期寿命，推荐使用TVS二极管进行保护。TVS二极管不仅满足最严苛的要求，而且与其他技术相比，其阻断电压极低，能够保护最先进的集成电路。此外，对于暴露于快速电瞬变、附近放电以及潜在断电等情况，过电流和过电压保护方案也必不可少。
通过采用适用于此类事件的适当防护组件，制造商可以确保其产品继续为消费者所用。正确选择防护类型还能确保应用符合相关的安全性和功能性法规。.
作者
菲利普·哈文斯是利特福斯公司的首席工程师，在电子工程领域拥有丰富的经验。他拥有路易斯安那理工大学电子工程学士和硕士学位，是一名注册专业工程师，并与众多领先电子产品制造商的技术团队密切合作，为其特定应用开发电路保护解决方案。他代表利特福斯公司参与电信、电路保护和电子安全相关的行业协会，例如国际电信联盟（ITU）、国际电信协会（TIA）、美国电信工业协会（ATIS）、国际电工委员会（IEC）、电气电子工程师协会（IEEE）和电子工程师协会（PEG），以及UL497/60950-1/62368-1标准的技术专家组。此外，他还参与公司硅基保护产品线的定义、方向和维护工作。.
作者：
菲利普·哈文斯，Littlefuse公司首席工程师
