黑客对 ESD 保护的看法可以揭示很多信息。我见过不少黑客忽视 ESD 保护——有经验不足的，有漫不经心的，还有幸运地生活在相对潮湿气候中的。但在我们能够掌控全球气候之前，最好的办法是多用一些 ESD 二极管，以免不得不更换一块用 40 个通孔排针牢牢焊接在 PCB 上的微控制器板。
人类非常擅长制造电击，很多时候，你触电硬件时甚至自己都感觉不到。不过，你的 GPIO 会感觉到，而且电击可能传播到芯片内部的输入/输出引脚之外。ESD 事件可能导致“奇怪的故障”，例如突然的硬件锁死，甚至芯片在工作过程中突然死机——这些都不是你想要的。
不过不用担心。想要打造经久耐用的硬件吗？那就来看看 ESD 二极管，了解一下在哪里以及如何添加它们，在哪里避免使用它们，以及你需要记住的参数。对了，我还会讲解所有可能误用 ESD 二极管的妙招，无论好坏！
制作方法
最简单的 ESD 二极管就是两个串联的二极管，受保护的信号连接在中间点。接线方式很容易记住——将二极管连接到 3.3 V 到 GND 之间，使其不导通。反过来，就像你连接一个二极管来分流继电器线圈一样。它只在非常情况下导通，而不是正常情况下。
假设你使用正向压降为 0.7 V 的二极管。那么，这样的配置会将高于 0.7 V 的电压分流到你的电源轨和地线，两者都是低阻抗的，具有足够的电容和电感，足以耗散电击能量。低于 GND – 0.7 V 的电压，高于 VCC + 0.7 V 的电压——顺便问一下，你在数据手册里见过这些吗？
绝大多数 IC 都内置了 ESD 二极管。如今极其流行的 CMOS 逻辑电路基本上都需要它们——场效应晶体管 (FET) 对 ESD 事件极其敏感，尤其是它们的栅极。不相信吗？这里有一个我们之前介绍过的极具说服力的视频，展示了场效应晶体管 (FET) 如何在 ESD 事件中轻易损坏！
那么，你的工作完成了吗？你能只依赖 IC 内部的 ESD 二极管吗？很遗憾，不行。IC 内部的 ESD 二极管固然很好，而且必不可少，但对于大部分电击来说，它们还不够。实际上，它们的作用是提供低级别的 GPIO 保护。如果你的 GPIO 连接到外部电路，或者很容易连接到外部电路，或者它们靠近高功率电源轨，或者你的部分电路正在驱动扬声器或电机，又或者你有时需要用手指触摸电路板——那么你可能需要添加自己的 ESD 二极管。
让我们保护一些 GPIO
必要时可以使用两个二极管——两个 1N4148 是有效的 ESD 保护形式。更好的是，您可以购买现成的双二极管元件。这是零件号为 BAV99 的元件；它是两个串联的二极管，采用 SOT23 封装，中点位于引脚 3。顶部引脚连接到 VCC，底部引脚连接到 GND，中间引脚连接到信号——还有什么比这更容易布线的呢？BAV99 并非完全设计为 ESD 二极管，但它的性能非常出色。这是您可以为 GPIO 提供的最基本的保护——如果您够慷慨，还可以添加一个低值串联电阻。如果您正在开发 RP2040 电路，那么您已经串联了一些 27R 电阻——只需在电路板上再添加一些这样的电阻，就万事大吉了。
但等等，还有更多
这些就这些吗？不，还有更多！还记得如何在继电器线圈或用晶体管驱动的电机上放置一个二极管吗？这里有一个有趣的继电器——欧姆龙 G6SK-2 。这是一款用于切换信号（类似模拟音频切换）的微型继电器，它的妙处在于它具有锁存功能。你知道需要反转直流电机的电压极性才能改变其旋转方向吗？这款继电器利用极性反转进行切换，而不是像传统继电器那样需要恒定功率消耗来保持一组触点连接。
那么，一个微型信号继电器，无需任何电源即可保持开启状态。那么，该如何驱动它呢？对于电机，通常使用 H 桥驱动——每个极点分别连接一个晶体管（VCC 和 GND），这四个晶体管通常集成在一个 IC 中。然而，在一个几乎不需要任何电源的微型继电器上用一整块 H 桥 IC 呢？感觉很浪费！
设置为输出的 GPIO 在电气上相当于 H 桥。如果把继电器线圈放在两个 GPIO 之间，就能轻松切换。那加个反电动势保护二极管怎么样？如果再加个反电动势保护二极管，就没法切换极性了。只需在 GPIO 上放一对 ESD 二极管，就没问题了。
你可以用这种方式驱动很多东西——不仅仅是酷炫的低功耗继电器，还有像 iPhone 的 Taptic Engine、振动电机和微型电磁铁这样的线性执行器。所以，如果你需要囤积 BAV，这又是一个额外的理由。
你通常会把这类二极管放在哪里？当然，在外部GPIO上，但也在按钮上——即使它们被一层薄薄的塑料膜覆盖！——以及键盘、用户可触摸的弹簧针、板外连接器、耳机插孔、iButton按键等等。当然，这些并不是你唯一需要的二极管。让我们来谈谈ESD二极管电容，以及它从哪里开始变得重要。
高速、高要求
想象一下一台 Pi Pico。它上面有一些 GPIO 需要保护。还有什么？当然是 USB 端口——如果你敢把以太网连接到 Pico，那么这些引脚也需要保护。但是，如果你使用 BAV，可能会遇到信号衰减或其他意想不到的副作用。为什么？一个主要原因是 ESD 二极管电容。
高电容二极管会干扰高速信号。因此，我们采用低电容 ESD 二极管。SRV-05 就是其中之一——它是一款历史悠久、值得信赖的器件，拥有许多引脚兼容的后继产品和仿制品。它内部有四个二极管，一个引脚用于 VCC，一个引脚用于 GND——无论您使用的是 USB2、以太网 100 或 1000，甚至是电容式触摸板，它都能正常工作！正如您可能猜到的那样，Captouch 受益于 ESD 保护，低电容二极管必不可少——只需记住查看您使用的 Captouch 芯片的文档，了解其相关说明即可。
使用像这样的 SOT23-6 封装来保护 USB 线路？请注意接线方式。有些二极管封装内部有连接线，需要你中断其下方的信号；而有些则需要你在封装下方拉线；有些甚至包含电感。请查看数据手册中的示例原理图，并与你的电路图进行比较。
另一个陷阱。还记得吗？有一条路径连接到 GND，另一条路径连接到 VCC。好吧……如果你的 GPIO 已供电，但 VCC 没有供电怎么办？电源会从 GPIO 流入 VCC——你可能还记得我们之前介绍过的精简版 ATTiny 中的这个陷阱。如果你放置了多个电源输入的芯片，而没有考虑到这一点，你也可能会遇到这个问题。
这种情况还会出现在哪里？当然是 USB-C 接口。如果您将 ADC 通道连接到 CC 引脚，就像您想检查是否在 5V 电压下获得 3A 电流一样，您需要保护它。或者，如果您的电路板上有一个 PD 控制器——您肯定需要保护它的 CC 引脚。现在，还记得 CC 协商的工作原理吗？电源在其 VBUS 和 CC 引脚之间有一个电阻，它会测量 CC 电压，预期电阻阻值为 5.1K。如果您的 VBUS 未通电，而您在 CC 上使用连接到 VBUS 的 ESD 二极管，该怎么办？部分 CC 上拉电流会流入 VBUS，导致电压骤降，CC 电压低于预期，最终电源无法为 VBUS 供电。
没有 VBUS，没有问题
糟糕？糟糕。我最近在自己的项目中偶然发现了这个问题，真是让人摸不着头脑。谢天谢地，你实际上不需要 VBUS 连接——实际上，你只需要在电压超过某个阈值时分流即可。我们也有二极管可以做到这一点！它们叫做 TVS——有点像齐纳二极管，但更好用。事实上，由于 SOT23-6 ESD 二极管通常包含 TVS，你或许可以将 VBUS 与 SOT23-6 完全断开。然而，你仍然应该了解另一种 ESD 二极管——首先，它们可能是你用过的最平坦的 ESD 二极管。
无 VBUS 的 ESD 二极管并非采用 VBUS 连接，而是将顶点连接到地的 TVS 二极管。当顶点电压超过 TVS 二极管的阈值电压时，该二极管开始导通。此时 TVS 二极管必须耗散 ESD 冲击能量，但这些 TVS 二极管性能强大，可以承受。
DFN25-10 格式的二极管。你在哪里见过它们？比如在树莓派上——它们就在 HDMI 接口旁边，至少有三个！这些二极管也非常适合通用保护——你可以把它们放在 USB、以太网、USB CC 引脚、键盘矩阵引脚上。我最喜欢的零件编号是 TPAZ1043，但别只盯着它——只要查一下 DFN2510，你就会发现很多替代品。
这些有什么问题吗？首先是阈值电压。如果你使用的是3.3V的GPIO，你需要确保你的二极管不会开始分流它们——如果你购买的二极管是为了保护USB3等现代接口，它的阈值很可能是3.3V或略低——如果你想让你的GPIO（或USB2连接）不受影响，那么这个阈值就算不完全不合格，也已经接近临界值了。当然，这是一款很棒的二极管，只是应用不当。
它们也是最容易布线的。把它们和信号线串联起来，再在地线（0.5/0.3英寸的过孔效果会很好）上个孔，就搞定了。不过这样有什么问题吗？用的时候可能会有点放松，记住要保持警惕。
关键要素
以为我们完成了？还没有。还记得它们非常扁平吗？现在，这些非常扁平的二极管可以在哪里使用呢？比如……带 NKRO 功能的手持键盘？NKRO 功能需要每个按键都安装二极管，但如果您要做一个 50 键的手持键盘，可能不一定需要使用 50 个独立的二极管。不用担心——DFN2510 ESD 二极管组内的接地二极管仍然可以使用。每个二极管组可以连接四个按键，比普通的微型封装 SMD 二极管更容易操作和贴装，而且它们还能确保您的键盘能够执行各种按键组合。您知道，这是为了弥补按键数量较少的不足。
当然，这些技巧很酷，但最重要的是，ESD 二极管是为了确保你的硬件持久耐用。无论你是在搭建开发板、电容式触控艺术装置、值得信赖的袖珍电子多功能工具、送给孩子的定制时钟，还是史上最迷你的键盘，ESD 二极管都是你的好朋友。你应该在你的电路上安装它们，把它们放在你的库存中，并广为传播，它们会反过来保护你。
喜欢这篇文章吗？不妨看看之前的“黑客战术”系列文章，我在那里演示了如何用万用表检测内部 ESD 二极管，具体来说，就是探测线路的连通性和对电路进行逆向工程！你也应该了解一下。
原文： https://hackaday.com/2025/06/19/hacker-tactic-esd-diodes/