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(shù)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(biāo)準(zhǔn)接口。如果 GPIO 引腳暴露在外部環(huán)境中，存在發(fā)生靜電放電 (ESD) 事件的風(fēng)險。建議添加一個 ESD 保護(hù)二極管，以保護(hù)系統(tǒng)免受有害瞬變的影響。為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否受到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，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(tǒng)和應(yīng)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(guān)的狀態(tài)。GPIO 具有 3.3V 或 5V 的低電壓，需要低電壓 ESD 保護(hù)二極管。根據(jù)系統(tǒng)中必須保護(hù)的 GPIO 引腳數(shù)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(jī)界面端口。當(dāng)連接器與外界接觸時，系統(tǒng)存在高壓沖擊風(fēng)險。這種 ESD 沖擊或瞬態(tài)事件可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的下游元件損壞。
圖 1 GPIO ESD 事件ESD 保護(hù)要求
要保護(hù) GPIO，請遵循參數(shù)列表：
- 工作電壓
- 保護(hù)二極管的反向工作電壓 (VRWM) 必須大于或等于受保護(hù)系統(tǒng)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(hù)系統(tǒng)。當(dāng)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(yīng)對負(fù) ESD 沖擊，當(dāng)應(yīng)用對負(fù)電壓沖擊的耐受性較低時，這是一項(xiàng)優(yōu)勢。當(dāng)存在正電壓或負(fù)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(shù)據(jù)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(guī)則是，速度達(dá)到 10Mbps 需要小于 20pF 的電容，速度達(dá)到 500Mbps 需要小于 4pF 的電容。
- IEC 61000-4-2 等級
- IEC 61000-4-2 測試標(biāo)準(zhǔn)定義了實(shí)際的 ESD 沖擊。該標(biāo)準(zhǔn)包含兩項(xiàng)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(diǎn)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(guī)格的器件。
為 GPIO 應(yīng)用選擇 ESD 二極管
選擇 ESD 二極管的第一步是滿足系統(tǒng)要求。對于本示例，系統(tǒng)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(hù)的 GPIO 引腳。根據(jù)系統(tǒng)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(dǎo)致二極管的鉗位電壓小于 6V。由于需要保護(hù) 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(hù)二極管來滿足上述要求。
圖 2 GPIO 應(yīng)用由于 ESDS304 滿足系統(tǒng)要求，因此選擇該器件用于提供保護(hù)。為 GPIO 或任何應(yīng)用選擇 ESD 二極管時，需要考慮系統(tǒng)要求以正確保護(hù)電路。
總結(jié)
GPIO 引腳需要 ESD 保護(hù)才能承受實(shí)際的 ESD 沖擊。選擇正確的保護(hù)二極管對于在高壓瞬態(tài)事件下維持系統(tǒng)功能和覆蓋范圍至關(guān)重要。表 1 列出了保護(hù) 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(shù) | 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(tǒng)級 ESD 保護(hù)指南，營銷選擇指南。
- 德州儀器 (TI)，閱讀并了解 ESD 保護(hù)數(shù)據(jù)表 用戶指南。
- 德州儀器 (TI)，ESD 封裝和布局指南 應(yīng)用手冊。