浪涌不是 ESD：通过 8kV 测试的端口，最后死在一条长线上

被保护的是什么

设备上的一个对外接口。一个连接器，后面紧接着一颗低电容 ESD 阵列，再进到接口 IC。这个摆法是对的，选的器件也是对的。布线没有问题，原理图拿去评审也挑不出东西。

这块板子按 IEC 61000-4-2 做认证，也就是大家讲「ESD 测试」时所指的那份标准，而且通过了。

报告很干净，退货不是

每一只外露的引脚都做过接触放电，做到规定的等级。没有失效，没有劣化，全程判定 A。就报告来看，这个端口是有保护的。

然后产品开始退回来，接口引脚短路。等到有人不再按日期、改成按安装现场去分类退货，规律就很明显，而且跟人完全无关：出问题的都是拉了长线的现场。

这一件事就足以定案。通过的那个测试，和造成失效的那个事件，根本不是同一件事。这篇后面要讲的，就是为什么同一颗器件可以在前者表现很好，在后者却不够用。

两种事件，同一个连接器

人体放电和沿着线缆进来的浪涌，都打在同一只引脚上，也都由同一颗器件挡，所以常常被当成同一个题目在讨论。它们不是同一个题目。真正决定硅会不会坏的那个变量不一样，那个变量是电流持续多久。

• ESD，IEC 61000-4-2。带电的人或物体碰到连接器。8kV 接触放电时，发生器是 150pF 充到 8kV，打出 30A 的峰值电流，整个事件在大约 200ns 内结束。产品一生大概只会遇到几次。
• 浪涌，IEC 61000-4-5。线路上的开关动作，或是这条线路别处的雷击，把能量感应到线缆上。用 8/20 微秒波形，长度是数十微秒，而且隔壁厂每启动一次电机就可能来一次。

长线既是天线也是导体。第二种事件之所以存在就是因为它，这也是为什么同一款产品在短线的场合从来没出现这个失效。

一个是波形，一个是负载线

这个差别不是画法问题，它告诉你每一种事件对器件做了什么。

ESD 要画的是电流对时间，因为它是一个有形状的瞬态。芯片还来不及热起来事件就结束了，所以重点是器件导通得多快，以及导通过程中电压冲到多高。

浪涌要画的是电压对电流，因为它久到足以进入一个稳定的工作点。器件会停在那条线上的某一点，持续数十微秒。它有负载线，就像电阻有负载线一样，而且停在那里的整段时间芯片都在发热。

这两张都是 PZ0303P-F10 实际测量后刊在数据手册上的，不是仿真。它们在数据手册里是 Fig 4 和 Fig 5，之所以是两种不同形式的图，就是因为它们是两种不同的事件。

各自搬了多少电荷

ESD 这一边根本不需要建模。8kV 接触放电来自一颗充到 8kV 的 150pF 电容，电荷等于电容乘电压，所以这个事件搬了 1.2 微库仑。整场放电就是这么多。

6A 的浪涌在 8/20 微秒波形下搬了大约 111 微库仑，差不多是 90 倍。峰值电流小了 5 倍，电荷却大了 90 倍，纯粹是因为事件比较宽。

这个陷阱一句话就能讲完：大家引用的是峰值电流，真正造成伤害的是持续时间。只看峰值电流去选型，会觉得这颗对浪涌规格过剩得离谱，然后它撑不过去。

同一颗硅，两个差很多的规格

打开 PZ0303P-F10 的极限值表格，两个数字都在，同一页，两行：

• 按 IEC 61000-4-2，±16kV 接触放电，±21kV 空气放电
• 按 IEC 61000-4-5，8/20 微秒下 6.0A 峰值脉冲电流

两个都是真的，而且彼此并不冲突。它们是同一颗芯片面对两种要求完全不同的事件所测到的结果。只把第一个数字带走的人，听到的是事实，却得出了错的结论。

这里直说：6A 是一个普通的浪涌规格，我们还是把它印出来。一颗器件如果在某一种事件表现很好、在另一种只是普通，就应该在自己的封面上讲清楚，否则就会变成这篇在讲的那种失效。

为什么决定生死的是热

把两种事件拿到器件上比较，钳位电压几乎没动。数据手册两个都有给：16A TLP 脉冲下是 6.1V，5A 浪涌下是 6.2V。电流差 3 倍，电压差 0.1V。

也就是说，器件在两种情况下电气上做的事几乎一样，可是其中一种它轻松撑过，另一种却已经顶在额定极限。所以区分这两者的不可能是钳位电压，因为钳位电压正是那个没有变的东西。

真正差了两个数量级的是芯片必须扛这个电流多久。功率是电压乘电流，能量是功率乘时间。在钳位电压差不多、电流只有五分之一、电荷却是 90 倍的情况下，浪涌灌进同一块硅的能量高得多，而且慢到热没有地方可以去，只能留在结上。

ESD 真的造成损伤时，通常是介质层的问题。浪涌的损伤则是热。这也是为什么这两个规格跟着不同的东西走：ESD 的数字跟器件怎么导通有关，浪涌的数字跟芯片面积、以及封装把热带出去的能力有关。

三个等级，分界是能量

一旦接受持续时间才是变量，选型就不再是凭感觉，而是一个有答案的问题。

1. 只有 ESD，而且是高速线。端口在机壳内，线很短，信号不能被电容拖累。这时电容是主要限制，该用超低电容阵列。PZ0303P-F10，0.45pF，4 通道。
2. ESD 加上轻度浪涌。对外但不长的线，暴露程度有限。用 SMF 或 SMA 封装的 TVS，在我们的产品线里是 10/1000 微秒下 200W 到 600W。
3. 真正的浪涌能量。对外长线、工业环境，或是车用的负载突降。用 SMB 或 SMC 封装的 TVS，600W 到 5000W；若事件是负载突降，用 DO-218，6600W 到 8000W。

注意这三级是按能量承受力分的，而电容的走向刚好相反。能扛最多能量的器件结面积最大，电容也最大。这才是真正的取舍，也是为什么一颗器件不可能同时站在这张清单的两端。

两种事件都会发生，就两颗都放

这个结论大家通常会抗拒，因为它在 BOM 上多一行。TVS 不会让 ESD 阵列变得多余，ESD 阵列也不会让 TVS 变得多余。

TVS 是有芯片面积去吸收浪涌的那一颗，但它太慢、电容太大，不能单独拿来保护高速线。ESD 阵列导通快，对信号的负担只有零点几 pF，但它没有足够的硅可以在浪涌里撑二十微秒。一个端口如果两种事件都真的会遇到，就把 TVS 放在连接器端去吃能量，把低电容阵列放在 IC 旁边，接住漏过来的部分。

只放一颗就当这个端口有保护了，正是一份干净的认证报告变成现场退货的过程。

选型前先确认什么

三个问题，没有一个是在问保护器件本身。

1. 线有多长，会不会离开机壳？机内一条排线，和现场拉三十米，即使原理图一模一样，也不是同一个端口。
2. 线的另一端接什么，还有什么跟它走同一条路径？感性负载、电机驱动、以及长距离的平行走线，都是把浪涌能量带到信号线上的来源。
3. 这条线跑多快？这决定了电容预算，而电容预算决定了低电容那颗能承担多少工作。

这三个问题答完，等级自己就出来了。跳过它们，选型就会变成看哪个数字印得最大。