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ESD静电保护元件的结构和原理

高工
2025-11-17 18:59:44     打赏

一.从二极管基础到ESD保护专用器件

二极管是电子电路的“老熟人”,核心特性是 “单向导电”。但ESD保护二极管和普通二极管(比如整流二极管)有本质区别 —— 它是专为 “瞬态电压抑制” 设计的 “特种部队”。雷卯EMC小哥常说,这类专用器件的设计核心,就是要在关键时刻 “精准发力、不添干扰”。

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二极管的 “家族分类”

P-N结二极管:由P型半导体(多空穴)和N型半导体(多电子)结合而成,正向导通、反向截止,反向电压过高会击穿。

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肖特基二极管(SBD):金属与半导体接触形成结,导通电压低、速度快,但反向耐压较低。

ESD 保护二极管属于 P-N 结二极管的 “升级版”,基于稳压二极管原理优化,重点强化了 “反向击穿时的快速响应” 和 “大电流承载能力”,
这也是上海雷卯多年来重点攻关的技术方向。

二.ESD 保护二极管的 “工作智慧”


雷卯电子的ESD保护二极管的核心设计目标是:平时“隐身” 不干扰电路,ESD 来袭时 “瞬间出击” 分流保护。具体怎么实现?上海雷卯通过工艺优化和结构创新,让这个“攻防切换” 更精准高效。

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1. 正常工作时:像 “绝缘体” 一样安静

当电路没有ESD 冲击时,ESD 保护二极管(阴极接信号线,阳极接地)处于 “反向偏置” 状态 —— 两端电压低于反向击穿电压(VBR),此时它像一个高电阻,几乎不影响信号传输。

但有两个参数会影响信号质量,也是雷卯重点优化的方向:

总电容(CT):二极管截止时,P-N 结的 “耗尽区” 像一个小电容,高频信号(比如 5G、Thunderbolt)会被这个电容 “吸收”,导致信号衰减。雷卯通过特殊工艺将高频系列高分子产品的CT做到 0.1pF 以下,完美适配高速信号,这一指标也得到了雷卯EMC 小哥在实战测试中的反复验证。

接口名称

传输速度Mbit/S

电容要求pF

雷卯静电防护 推荐料号

USB2.0接口

480

<5

SR05W/SRV05-4

USB3.0接口

4800

<1

ULC3304P10

USB3.1接口

10000

<0.5

ULC3304P10/ULC052010P5

TYPE-C接口

10000

<0.5

ULC3304P10/ULC052010P5

快充USB接口

480

<3

SR05W

100M网络接口

100

<5

SLVU2.8-4/SRV05-4W

1000M网络接口

1000

<3

LC3311CCW

10000M网络接口

10000

<1

ULC0542T

POE

100

<5

SLVU2.8-4/SMDJ58CA

HDMI1.3接口

10200

<1

ULC0524P

HDMI1.4接口

10200

<1

ULC0524P

HDMI2.0接口

18000

<0.5

PUSB3FR4

DISPLAY视频接口

5400

<1

ULC0524P

VGA模拟视频接口

162

<1

ULC0524P

DVI数字视频接口

3960

<1

ULC0544M

xDSL接口

2

<100

SR70

eSATA接口

6000

<1

ULC0524P

SIM卡接口

7.2

<10

SRV05-4

Audio耳机和麦克风

1.5

<100

SDA05W5/ULC0511CDN30

I2C接口

3.4

<100

SD05C

T1 E1接口

1.544

<100

SRV05-4

LVDS接口

655

<10

ULC0524P

SD卡接口

10

<10

SRV05-4

MMC卡接口

10

<10

SRV05-4

RS485接口

10

<50

SM712

RS232接口

0.2

<50

SD12C/SMC12

RF /GPS天线接口

1000

<1

ULC0511CDN

Can-BUS总线接口

1

<50

SMC24/SD24C

Lin-BUS总线接口

1

<50

SMC24/SD24C

GPIO 3V 接口保护

-

-

SD03C ESDA33CT ESDA33CP

GPIO 5V 接口保护

-

-

SD05C ESDA05CT ESDA05CP

天线端口ESD防护

-

<0.5

ULC3324P10/ULC052010P5


反向漏电流(IR):正常电压下流过的微小电流,IR 过大会增加电路功耗。雷卯产品在 VRWM(最大反向工作电压)下的 IR 通常≤0.5μA,对低功耗设备友好。

2. ESD 冲击时:像 “安全阀” 一样快速分流

当ESD 脉冲来袭(比如插拔接口时),信号线电压会瞬间飙升至数千伏。此时 ESD 保护二极管会:

快速击穿导通:当电压超过VBR 时,二极管进入 “雪崩击穿” 状态,电阻骤降(动态电阻 RDYN 低至几欧),将大部分ESD电流导向地(GND)。

钳位电压(VC)够低:导通时二极管两端的电压(VC)必须低于被保护芯片的耐压值(比如芯片耐压 20V,VC 需≤18V)。雷卯电子通过芯片结构优化,使VC 比行业平均水平低 15%-20%,防护更可靠,雷卯EMC小哥常把这一优势称为 “给芯片多一层安全余量”。

双向防护设计:对跨地信号(比如音频线、差分信号),上海雷卯的双向ESD保护二极管可同时吸收正负向 ESD 脉冲,无需额外设计。

三.雷卯ESD保护二极管的三大核心优势


上海雷卯凭借多年技术积累,让旗下ESD 保护二极管具备三大核心优势,覆盖从低频到高频、从普通设备到高端终端的全场景需求:

1.响应速度快:从截止到导通仅需亚纳秒级(<1ns),比传统压敏电阻快100倍以上,能拦截 ESD 脉冲的 “第一峰值”,
这也是雷卯电子适配5G、Thunderbolt 等高速接口的关键。

2.容值可控:覆盖0.05pF(高频)到100pF(低频)全系列,满足 USB 3.2、HDMI 2.1 等不同速率接口需求,雷卯EMC小哥会根据客户的信号速率,精准推荐对应容值的型号。

3.致性高:批量生产的VBR、VC 参数偏差≤±5%,避免因器件差异导致防护效果不稳定,上海雷卯的严格品控体系,确保每一颗器件都能达到设计标准。
小结


ESD 保护二极管的核心是 “平衡”—— 既要在正常工况下不干扰信号,又要在ESD来袭时快速高效分流。雷卯通过材料、结构、工艺的三重优化,上海雷卯始终坚持以实战需求为导向,让这个 “平衡” 更精准、更可靠。



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