GPIO静电放电防护方案

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GPIO静电放电防护方案
方案简介
GPIO的全称是General Purpose Input Output （通用输入/输出端口），简称为GPIO或总线扩展器，是一种在微控制器、微处理器、以及其他集成电路（IC）上常见的接口，它允许这些设备与外部世界进行交互。GPIO接口提供了基本的数字信号功能，可通过软件分别配置成输入或输出，即能够作为输入读取外部设备的状态（如按钮是否被按下），或者作为输出控制外部设备（如点亮LED灯）。
因其可能需要引线至外部传输数据，导致其易受静电及其他一些电磁脉冲的影响，此类情况会给后续产品的稳定性及可靠性带来一定隐患，为了确保这些数据端口能够在最终安装环境中正常工作，普通的防护方案或许会对数据的传输造成一定影响，此方案采用集成和分立两种ESD静电保护元器件方案，具有导通电压精度高、响应速度快、寄生电容值低、钳位电压低的特性，在不影响数据传输的前提下满足IEC61000-4-2 Level 4静电放电防护需求，且做到成本最优化。
GPIO的ESD防护
GPIO 引脚广泛应用于各种系统和应用中，能够执行诸如读取传感器数据、控制LED灯的亮灭以及监测开关状态等任务。GPIO 具有3.3V 或 5V 的低电压，需要低电压 ESD 保护二极管。
根据系统中必须保护的 GPIO 引脚数量，可以使用单通道或多通道二极管。在为GPIO选择ESD保护器件时我们需要考虑如下要求：
工作电压
保护二极管的反向工作电压 (VRWM) 必须大于或等于受保护系统的工作电压。对于 GPIO 引脚，典型工作电压范围在 3.3V 至 5V 之间。这意味着工作电压大于或等于 3.3V 至 5V。
极性
保护系统时，可根据需求选择单向或双向二极管。若线路中仅涉及正电压，单向二极管是理想选择，它不仅能抵御正电压的潜在威胁，还能在遭遇负ESD冲击时，通过钳制在较低电压水平来提供额外保护，这对于对负电压敏感的应用尤为有利。而面对既有正电压又可能出现负电压的复杂环境，双向二极管则更为适用，能够全面抵御双向电压的冲击。
钳位电压
钳位电压取决于最近的下游电路，建议小于器件引脚的绝对最大电压。在这种情况下，下游电路很可能是一个具有数据表中指定的绝对最大电压的微控制器。
电容
不同芯片GPIO口的速率不一样，一般选择低电容的器件。
IEC 61000-4-2 等级
IEC 61000-4-2 测试标准定义了实际的 ESD 冲击。该标准包含两项测量：接触放电和空气间隙放电。接触和空气间隙等级越高，器件能够承受的电压就越高。对于 GPIO 引脚，建议触点的 IEC 61000-4-2 最低额定值为 8kV，气隙的最低额定值为 15kV。
应用示例
方案一：

我们以8个GPIO口引脚的微控制器为例，方案一中推荐SELC2F5V1BT和SELC2X5V1BT作为GPIO接口的防护器件，这是两款用于防止静电放电、过压等瞬态事件ESD防护器件。两款器件电气特性相似，封装不同，客户可根据接口实际情况进行选择。
这两款器件工作电压都为5V，结电容仅为0.3pf，钳位电压为42V，都符合IEC 61000-4-2 (ESD) Level 4规范，在 ±25kV（空气）和 ±22kV（接触）下提供瞬变保护.
方案二：
方案二中我们推荐一种集成式十引脚ESD防护器件SEUC10F5V4U，可同时保护四条I/O通道。器件的流通式封装设计简化了 PCB 布局，减少布线过程中的不连续性，促进了信号完整性和系统稳定性的提升。其工作电压为5V，结电容仅为0.6pF，钳位电压为15V，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，可在 ±17kV（空气）和 ±12kV（接触）下提供瞬变保护。
型号参数

规格型号	方向	工作电压(V)	IPP(A)	钳位电压(V)	结电容(pF)	封装
SELC2F5V1BT	Bi.	5	4.5	22	0.3	DFN1006-2L
SELC2X5V1BT	Bi.	5	4.5	22	0.3	DFN0603-2L
SEUC10F5V4U	Uni.	5	4.5	15	0.6	DFN2510-10L

电气特性表
At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				5	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	6.5			V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5V			1	uA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		12		V
Clamping Voltage	VC	IPP=4.5A; tp=8/20us		22		V
Junction Capacitance	CJ	VR=0V; f=1MHz		0.3		pF

表1 SELC2F5V1BT电气特性表

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	6.5			V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5V			1.0	uA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		12.0		V
Clamping Voltage	VC	IPP=4.5A; tp=8/20us		22.0		V
Junction Capacitance	CJ	VR=0V; f=1MHz		0.3		pF

表2 SELC2X5V1BT电气特性表

Parameters	Symbol	conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
Reverse stand-off voltage	VRWM				5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT= 1mA	6.0			V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5V			1.0	uA
Peak Pulse Current	IPP	TP=8/20us@25℃			4.5	A
Clamping Voltage	VCL	IPP=1A; TP=8/20us		9.0	11.0	V
Clamping Voltage	VCL	IPP=4.5A; TP=8/20us		12.0	15.0	V
Junction capacitance	CJ	I/O pins to ground; VR=0V; f = 1MHz		0.6		pF
Between I/O pins; VR=0V; f = 1MHz		0.3

表3 SEUC10F5V4U电气特性表
总结与结论
由于GPIO口广泛应用于各类传感器的控制与连接，所以选择正确的ESD保护器件在工业自动化领域十分重要。ELECSUPER SEMI研发各种低电容低钳位电压的ESD和TVS保护器件，可按照客户需求性能与封装提供定制化开发服务，为各种接口及通信线路提供值得信赖的保护器件。以上解决方案是保护GPIO接口的优选之策，确保数据传输的可靠与稳定。