ZHCADN0 January 2024 ESD351 , ESDS304 , TPD1E10B06 , TPD4E002 , TPD8E003
引言
通用輸入/輸出（通常稱為 GPIO）是一種數字信號引腳，可以在集成電路上配置為輸入或輸出。GPIO 是微控制器通信的標準接口。如果 GPIO 引腳暴露在外部環境中，存在發生靜電放電 (ESD) 事件的風險。建議添加一個 ESD 保護二極管，以保護系統免受有害瞬變的影響。為了驗證系統是否受到適當的保護，以免受到任何破壞性 ESD 沖擊，必須考慮 GPIO 接口的特性，以便正確選擇 ESD 二極管。
概述
GPIO 引腳在各種系統和應用中都很常見，可用于讀取傳感器的值，控制 LED，以及讀取開關的狀態。GPIO 具有 3.3V 或 5V 的低電壓，需要低電壓 ESD 保護二極管。根據系統中必須保護的 GPIO 引腳數量，可以使用單通道或多通道二極管。
ESD 的原因
ESD 的來源有很多，包括在地毯上滑動塑料容器或去除 PCB 上的收縮膜。這種電荷可能會積聚并最終在裸露的連接器上放電，包括 GPIO 接頭或人機界面端口。當連接器與外界接觸時，系統存在高壓沖擊風險。這種 ESD 沖擊或瞬態事件可能會導致系統的下游元件損壞。
圖 1 GPIO ESD 事件ESD 保護要求
要保護 GPIO，請遵循參數列表：
- 工作電壓
- 保護二極管的反向工作電壓 (VRWM) 必須大于或等于受保護系統的工作電壓。對于 GPIO 引腳，典型工作電壓范圍在 3.3V 至 5V 之間。這意味著工作電壓大于或等于 3.3V 至 5V。
- 極性
- 可以使用一個單向或雙向二極管來保護系統。當線路上只有正電壓時，建議使用單向二極管。單向二極管還會鉗位在較低電壓以應對負 ESD 沖擊，當應用對負電壓沖擊的耐受性較低時，這是一項優勢。當存在正電壓或負電壓時，建議使用雙向二極管。
- 鉗位電壓
- 鉗位電壓取決于最近的下游電路，建議小于器件引腳的絕對最大電壓。在這種情況下，下游電路很可能是一個具有數據表中指定的絕對最大電壓的微控制器。
- 電容
- 由于頻率可能會因具有 GPIO 引腳的微控制器或器件而變化，因此電容也可以有一個范圍。一般規則是，速度達到 10Mbps 需要小于 20pF 的電容，速度達到 500Mbps 需要小于 4pF 的電容。
- IEC 61000-4-2 等級
- IEC 61000-4-2 測試標準定義了實際的 ESD 沖擊。該標準包含兩項測量：接觸放電和空氣間隙放電。接觸和空氣間隙等級越高，器件能夠承受的電壓就越高。對于 GPIO 引腳，建議觸點的 IEC 61000-4-2 最低額定值為 8kV，氣隙的最低額定值為 15kV。
表 1 列出了支持這些規格的器件。
為 GPIO 應用選擇 ESD 二極管
選擇 ESD 二極管的第一步是滿足系統要求。對于本示例，系統是一個絕對最大電壓為 6V 的 3.6V 微控制器，只有正電壓，并且有 8 個需要保護的 GPIO 引腳。根據系統要求，二極管的工作電壓可以為 3.6V。由于線路上只有正電壓，因此建議使用單向二極管。6V 的絕對最大電壓會導致二極管的鉗位電壓小于 6V。由于需要保護 8 個 GPIO 引腳，建議使用多通道器件，但 8 個單通道器件也可以滿足要求。以下示例采用 ESDS304 作為保護二極管來滿足上述要求。
圖 2 GPIO 應用由于 ESDS304 滿足系統要求，因此選擇該器件用于提供保護。為 GPIO 或任何應用選擇 ESD 二極管時，需要考慮系統要求以正確保護電路。
總結
GPIO 引腳需要 ESD 保護才能承受實際的 ESD 沖擊。選擇正確的保護二極管對于在高壓瞬態事件下維持系統功能和覆蓋范圍至關重要。表 1 列出了保護 GPIO 引腳的器件建議，可在此處找到更多器件。
| 器件 | VRWM (V) | IEC 61000-4-2 (kV)（接觸/空氣間隙） | 通道計數 | 極性 | 封裝尺寸 (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| ESD351 | 3.6 | 30/30 | 1 | 單向 | DFN1006 (1.00 × 0.60) |
| ESDS304 | 3.6 | 30/30 | 4 | 單向 | SOT-23 (2.90 × 2.80) |
| TPD8E003 | 5.5 | 12/15 | 8 | 單向 | WSON(1.60 × 1.35) |
參考資料
- 德州儀器 (TI)，系統級 ESD 保護指南，營銷選擇指南。
- 德州儀器 (TI)，閱讀并了解 ESD 保護數據表 用戶指南。
- 德州儀器 (TI)，ESD 封裝和布局指南 應用手冊。