3.3V 的 ESD V_BR 是 5~7V，还是危险，怎么解決？

dukelec · 发表于 2020-2-28 13:54:15

本帖最后由 dukelec 于 2020-2-28 14:28 编辑

ESD 型号：ESD9B3.3ST5G

首先，对于 MCU IO 口，一般有上下钳位二极管，我查了下 STM32F103 的手册，钳位电流 5mA 以下可以正常工作。

如果输入串电阻，譬如 10k, 可以确保输入 50V 的时候，IO 内钳位电流不超标，确保 MCU 可以正常工作。

此时，如果 IO 侧并一个 ESD 二极管到地，貌似并不能起到保护作用：瞬间的静电可以被 IO 内的钳位泻放；持续的保护，譬如上述输入电压增加到 100V，IO 内钳位电流上升到 10mA，影响 MCU 正常运行，甚至烧坏 IO 口，但是，外部 ESD 并不能达到 V_BR 的动作电压。

是否应该改为：把上述 10k 输入保护电阻，拆分成两个 5k 电阻，先是输入经过 5k 电阻到 ESD 对地保护，再经过 5k 电阻到 MCU，这样对于 MCU 而言，无论外部输入多高电压，IO 内钳位电流最多是 7V 左右 / 5k Ohm = 1.4 mA.
这样，持续的输入，顶多把 ESD 烧短路、把输入和 ESD 之间的 5k 电阻烧断路，方便维修。

另一种思路是不使用 ESD 器件，用一个缓冲芯片代替，譬如外部输入经过 10k 电阻到 74LVC2G14 再到 MCU（额外好处是可以驱动 LED 做信号状态指示灯），74LVC2G14 输入口也有内部钳位，万一外部输入过高，只需要更换烧坏的 74LVC2G14，而不会伤害到 MCU。

不过又多一个问题，如果外部输入信号持续过高，会经过 74LVC2G14 内部钳位泻放到 3.3V 电源，如果电源整体被抬高，会烧坏 MCU.
是否有内置比较器、参考电压的芯片，专门用来限制 VCC 电压，譬如超过 3.6V 就主动拉低？
或者 74LVC2G14 前面的 10k 也改为两个 5k + ESD 器件，让 N 多路钳位电流加起来不超过系统 VCC 的正常用电电流，如果不保险，VCC 到地加一个电阻，持续耗电（或用上一行的比较器电路限制 VCC <= 3.6V）。

（输入电阻近芯片侧会搭配小电容到地，文中省略没写。）

哪种方案好？

castiello · 发表于 2020-2-28 13:59:08

ESD是瞬态保护，钳位是钳位，完全不是一个原理的

dukelec · 发表于 2020-2-28 14:04:39

castiello 发表于 2020-2-28 13:59
ESD是瞬态保护，钳位是钳位，完全不是一个原理的

所以，本文讨论的是：IO 何时要外加 ESD 保护，怎么加，怎么确保两个不同原理的保护都有意义？而不是加了也白加？

chunjiu · 发表于 2020-2-28 14:06:29

IC内的保护二极管只能是保护瞬态的静电释放，反复的可能扛不住。而且瞬态功率过高的话，保护二极管的寿命也是相当的短。看产品的应用场合，工业级的产品，我的输入全部加了通用三极管电路做缓冲器，不能直接接IC引脚，一般的测试电路就随便搭搭。

aammoo · 发表于 2020-2-28 14:09:03

-- PTC -- ESD --- IO

castiello · 发表于 2020-2-28 14:12:18

dukelec 发表于 2020-2-28 14:04
所以，本文讨论的是：IO 何时要外加 ESD 保护，怎么加，怎么确保两个不同原理的保护都有意义？而不是加了 ...

IO内置的是MOS钳位，这个对ESD基本没用

如果有ESD考虑，那必须外接ESD管子，根据你抗静电等级选择ESD瞬时功率就好

dukelec · 发表于 2020-2-28 14:12:31

aammoo 发表于 2020-2-28 14:09
-- PTC -- ESD --- IO

ESD --- IO 之間加不加電阻？

dukelec · 发表于 2020-2-28 14:16:20

chunjiu 发表于 2020-2-28 14:06
IC内的保护二极管只能是保护瞬态的静电释放，反复的可能扛不住。而且瞬态功率过高的话，保护二极管的寿命也 ...

譬如 ADC 输入，就不方便加三极管了。
IC内的保护二极管应该不存在寿命问题吧？只要不过流烧坏。另外就是要尽量减少经过它的电流，因为电流越小，Vf 就越小，对于 MCU 内部更安全，输入到内部的信号是 Vcc + Vf 或者 Vss - Vf.

dukelec · 发表于 2020-2-28 14:17:43

castiello 发表于 2020-2-28 14:12
IO内置的是MOS钳位，这个对ESD基本没用

如果有ESD考虑，那必须外接ESD管子，根据你抗静电等级选择ESD瞬 ...

MOS钳位？不是二极管吗？有图纸资料给我看下吗？

chunjiu · 发表于 2020-2-28 14:29:34

dukelec 发表于 2020-2-28 14:16
譬如 ADC 输入，就不方便加三极管了。
IC内的保护二极管应该不存在寿命问题吧？只要不过流烧坏。另外就 ...

IC内的保护二极管应该不存在寿命问题吧？
===================================
怎么可能呢，有的生产商会有专门的话题讨论保护失效问题。
只是忘记了是哪些文献上有专题，现在临时找不到。

ADC 输入，就不方便加三极管了。
===========================================
模拟输入一般都需要放大器来阻抗匹配吧？直接 ADC 输入估计很难搞。

aammoo · 发表于 2020-2-28 14:44:45

dukelec 发表于 2020-2-28 14:12
ESD --- IO 之間加不加電阻？

可选吧，选好PTC和ESD/TVS的参数就可以了

zhugean · 发表于 2020-2-28 14:51:52

你理解的挺好的，有一个顺序你搞反了先是TVS管起作用，然后才是电阻加钳位二极管。比如1000V的静电来了TVS管导通释放能量，然后残留电压，肯定落在电阻加二极管钳位的范围内，就没有问题了。

jssd · 发表于 2020-2-28 14:55:10

我们IO口要直接上12V都不能损坏任何东西。。。

cc1987 · 发表于 2020-2-28 15:01:56

esd应该就是瞬间保护，持续不合适

dukelec · 发表于 2020-2-28 15:59:40

zhugean 发表于 2020-2-28 14:51
你理解的挺好的，有一个顺序你搞反了先是TVS管起作用，然后才是电阻加钳位二极管。比如1000V的静电来了TVS ...

看场合，譬如外部输入 12V 是允许的，如果直接接到 3.3V TVS 就会出问题，所以才要 TVS 左右各一个电阻。

dukelec · 发表于 2020-2-28 16:03:08

cc1987 发表于 2020-2-28 15:01
esd应该就是瞬间保护，持续不合适

持续的话，坏掉是允许的，查了下它失效后是短路状态，可以保护到后面的电路就可以。
如果不希望它坏掉，它前面的电阻可以加大，它自身的功率可以选大一点的，并且 layout 为它加大散热。

zhugean · 发表于 2020-2-28 16:05:55

dukelec 发表于 2020-2-28 15:59
看场合，譬如外部输入 12V 是允许的，如果直接接到 3.3V TVS 就会出问题，所以才要 TVS 左右各一个电阻。 ...

外部持续12V是允许的话，就要用12V+的TVS，用串联电阻来提高TVS的电压是不可取的，因为电阻功率不够会坏掉

dukelec · 发表于 2020-2-28 17:14:27

本帖最后由 dukelec 于 2020-2-28 17:19 编辑

zhugean 发表于 2020-2-28 16:05
外部持续12V是允许的话，就要用12V+的TVS，用串联电阻来提高TVS的电压是不可取的，因为电阻功率不够会坏 ...

问题最终目标是接入 MCU，所以才用 3.3V TVS/ESD, 不然 12V 转 3.3V 还是问题，并不确定外部信号是 12V ，也可能是 3.3V、5V、24V.
电阻不要太小就不会有很大电流。
就算电流过大电阻烧掉，或者 TVS/ESD 烧掉，也是可以接受，保护了核心电路，维修也容易定位。

曾经，220V AC 的 L 直接串两个 1M 的电阻到 STM8S103 IO 输入口，N 接 MCU GND，用作过 0 检测，电路本身是阻容降压。已量产。

newuseruser · 发表于 2020-2-28 19:56:29

看你电路的用途。按你说的，我觉得电阻-tvs-电阻的方案好，这样几乎不会烧TVS和芯片。

dz20062008 · 发表于 2020-2-29 04:53:27

esd是静电防护，是瞬间的一个放电，特点是能量持续时间短，迅速。最简单办法是增加tvs，瞬间电压抑制管。这个我记得虽然是钳位保护但是tvs反应高速大概0.几纳秒瞬间电流大数百安培，本质是稳压二极管实际是特殊的稳压二极管，高速，瞬间大电流。所以选取5v就会钳位在5v这样就保护了芯片。还有就是利用电源钳位是利用二极管正向原理。如果tvs能把电源拉高，那放电确实能量巨大这就不属于静电放电，是雷击。电源理论上可以理解为一个超级tvs可以吸收无限大的能量。

hailing · 发表于 2020-2-29 08:17:30

先自恢复保险丝再tvs后，单向tvs或再并肖特基二极管。最后进mcu。选值合适端口直接加220v ac都没事，前提是系统和220v本身隔离的。根据需要选自恢复保险丝的耐压值，最高有600v dc的。做过多年电表行业，485的防止380 vac坏就用600v ptc自恢复加smbj6.8ca

hailing · 发表于 2020-2-29 08:21:24

本帖最后由 hailing 于 2020-2-29 08:24 编辑

https://www.amobbs.com/forum.php ... 676822&mobile=2 可以看下我之前发的帖子。对于不需要那么高耐压，体积又要小一些的，可以用贴片0603封装的50mA级别的自恢复保险丝加TVS或双二极管加稳压二极管钳位-0.7到4.2v范围。

biezhen · 发表于 2020-2-29 09:31:50

dukelec 发表于 2020-2-28 14:16
譬如 ADC 输入，就不方便加三极管了。
IC内的保护二极管应该不存在寿命问题吧？只要不过流烧坏。另外就 ...

也可以加的呀，用三极管做一个跟随器就可以了，当然了，我平时都是用运放

追梦达人 · 发表于 2020-3-2 12:49:16

持续的过压需要考虑采用自恢复保险丝；IO的ESD保护采用加缓冲门是比较稳妥之举。

infonet · 发表于 2021-4-9 09:54:30

所以最后的结论是？

rube · 发表于 2021-4-9 17:43:04

会看的看门道，不会的看热闹

qwe2231695 · 发表于 2021-4-10 02:00:24

需要一个终极保护方案, 输入输出正常,支持频率>1M, 支持ADC采样 , 抵御 3.6V~ 24V 异常正负电压, 出色的ESD 8kv , 1-2元件每IO,价格便宜<0.5元/IO. 有吗???

3.3V 的 ESD V_BR 是 5~7V，还是危险，怎么解決？

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