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GPIO靜電放電防護(hù)方案
方案簡介
GPIO的全稱是General Purpose Input Output （通用輸入/輸出端口），簡稱為GPIO或總線擴展器，是一種在微控制器、微處理器、以及其他集成電路（IC）上常見的接口，它允許這些設(shè)備與外部世界進(jìn)行交互。GPIO接口提供了基本的數(shù)字信號功能，可通過軟件分別配置成輸入或輸出，即能夠作為輸入讀取外部設(shè)備的狀態(tài)（如按鈕是否被按下），或者作為輸出控制外部設(shè)備（如點亮LED燈）。
因其可能需要引線至外部傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其易受靜電及其他一些電磁脈沖的影響，此類情況會給后續(xù)產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠性帶來一定隱患，為了確保這些數(shù)據(jù)端口能夠在最終安裝環(huán)境中正常工作，普通的防護(hù)方案或許會對數(shù)據(jù)的傳輸造成一定影響，此方案采用集成和分立兩種ESD靜電保護(hù)元器件方案，具有導(dǎo)通電壓精度高、響應(yīng)速度快、寄生電容值低、鉗位電壓低的特性，在不影響數(shù)據(jù)傳輸的前提下滿足IEC61000-4-2 Level 4靜電放電防護(hù)需求，且做到成本最優(yōu)化。
GPIO的ESD防護(hù)
GPIO 引腳廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)和應(yīng)用中，能夠執(zhí)行諸如讀取傳感器數(shù)據(jù)、控制LED燈的亮滅以及監(jiān)測開關(guān)狀態(tài)等任務(wù)。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。在為GPIO選擇ESD保護(hù)器件時我們需要考慮如下要求：
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
保護(hù)系統(tǒng)時，可根據(jù)需求選擇單向或雙向二極管。若線路中僅涉及正電壓，單向二極管是理想選擇，它不僅能抵御正電壓的潛在威脅，還能在遭遇負(fù)ESD沖擊時，通過鉗制在較低電壓水平來提供額外保護(hù)，這對于對負(fù)電壓敏感的應(yīng)用尤為有利。而面對既有正電壓又可能出現(xiàn)負(fù)電壓的復(fù)雜環(huán)境，雙向二極管則更為適用，能夠全面抵御雙向電壓的沖擊。
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
不同芯片GPIO口的速率不一樣，一般選擇低電容的器件。
IEC 61000-4-2 等級
IEC 61000-4-2 測試標(biāo)準(zhǔn)定義了實際的 ESD 沖擊。該標(biāo)準(zhǔn)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。
應(yīng)用示例
方案一：
我們以8個GPIO口引腳的微控制器為例，方案一中推薦SELC2F5V1BT和SELC2X5V1BT作為GPIO接口的防護(hù)器件，這是兩款用于防止靜電放電、過壓等瞬態(tài)事件ESD防護(hù)器件。兩款器件電氣特性相似，封裝不同，客戶可根據(jù)接口實際情況進(jìn)行選擇。
這兩款器件工作電壓都為5V，結(jié)電容僅為0.3pf，鉗位電壓為42V，都符合IEC 61000-4-2 (ESD) Level 4規(guī)范，在 ±25kV（空氣）和 ±22kV（接觸）下提供瞬變保護(hù).
方案二：
方案二中我們推薦一種集成式十引腳ESD防護(hù)器件SEUC10F5V4U，可同時保護(hù)四條I/O通道。器件的流通式封裝設(shè)計簡化了 PCB 布局，減少布線過程中的不連續(xù)性，促進(jìn)了信號完整性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升。其工作電壓為5V，結(jié)電容僅為0.6pF，鉗位電壓為15V，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 規(guī)范，可在 ±17kV（空氣）和 ±12kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。
型號參數(shù)
| 規(guī)格型號 | 方向 | 工作電壓(V) | IPP(A) | 鉗位電壓(V) | 結(jié)電容(pF) | 封裝 |
| 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 |
電氣特性表
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電氣特性表
| 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電氣特性表
| 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電氣特性表
總結(jié)與結(jié)論
由于GPIO口廣泛應(yīng)用于各類傳感器的控制與連接，所以選擇正確的ESD保護(hù)器件在工業(yè)自動化領(lǐng)域十分重要。ELECSUPER SEMI研發(fā)各種低電容低鉗位電壓的ESD和TVS保護(hù)器件，可按照客戶需求性能與封裝提供定制化開發(fā)服務(wù)，為各種接口及通信線路提供值得信賴的保護(hù)器件。以上解決方案是保護(hù)GPIO接口的優(yōu)選之策，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽颗c穩(wěn)定。
