電路（lù）ESD防護設計分析

靜電放電（ESD）理論研（yán）究的已經相當成熟（shú），為（wéi）了模擬分析（xī）靜電（diàn）事件，前人設計了很多靜電（diàn）放電（diàn）模型。 常見的靜電模型有：人（rén）體（tǐ）模型（xíng）（HBM），帶電器件模型，場感應模型，場增強模型，機器模型和電容耦合模型等。芯片級一般用HBM做測試，而電子產品則用IEC 61000-4-2的放（fàng）電模型做測試。為對 ESD 的測試進行統一規（guī）範，在（zài）工（gōng）業標（biāo）準方麵，歐共體（tǐ）的（de） IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變衝擊抑製標準；電子產品必須符合這一標準之後方能銷往歐共體的各個成員國。 因此，大多數生產廠家都把IEC 61000-4-2看作（zuò）是 ESD 測試的事（shì）實標準。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等（děng）同於IEC 61000-4-2。大（dà）多（duō）是實驗（yàn）室用的靜電發生（shēng）器就是按 IEC 61000-4-2的標準，分為接觸（chù）放電和空氣放電。放電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭和圓（yuán）頭兩種（zhǒng）。

我們從IEC 61000-4-2的靜電放電的波形可以看到靜電放電主要電流是一個上升沿在1ns左右的（de）一個上升沿，要消（xiāo）除這個上升沿要求ESD保護器件響應時間要小於（yú）這個時間（jiān）。靜電放電的能量主要集中在幾十mhz到500mhz，很多時候我們能從頻譜（pǔ）上考慮，如濾波器濾除相應頻帶的能量來實（shí）現靜電防護。

IEC 61000-4-2規定了（le）幾個試驗等級，目前手機CTA測試執行的是3級，即接觸放電6kv，空氣放電8kv。很多手機廠家內部執行更高的靜電防護等級。

當集成電路（IC ）經受（shòu）靜電放電（ ESD）時，放電回路的（de）電阻通常都很小，無法限製放電電流。例如將帶靜（jìng）電的電纜插到電路接口上時（shí），放（fàng）電回路（lù）的電阻幾乎為零，造成高達數十安培的瞬間放電尖峰電流，流入相應的 IC 管腳。瞬間大（dà）電流會（huì）嚴重損傷IC ，局部發熱（rè）的熱量甚至會（huì）融化矽片管芯。ESD 對 IC的損傷還包括內部金屬連（lián）接被燒斷（duàn），鈍化層受到破壞，晶體管單元被燒壞。 ESD 還會引起IC 的死鎖（suǒ）（LATCHUP）。這種效應和 CMOS 器件內部的類似可控矽的結（jié）構單元被激活有關。高電壓可激活這些結構，形成大電流信道（dào），一般是從 VCC 到地。串（chuàn）行接口器件的死鎖電流可高達 1A 。死鎖電流會一直保持，直到（dào）器件被斷電。不過到那時，IC 通（tōng）常早已因過熱而燒毀了。

電路級ESD防護方法

1、並聯放電器件（jiàn） 常用的（de）放電器件有（yǒu）TVS，齊納二極管，壓敏電阻，氣體放（fàng）電管（guǎn）等。

1.1、齊納二（èr）極管（ zener diodes ，也稱穩壓二極管 )：利用（yòng）齊納二（èr）極管的（de）反向擊穿特性可以（yǐ）保護 ESD 敏感器件。但（dàn）是齊納二極管通常有幾十 pf 的電容（róng），這對於高速信（xìn）號（例如 500mhz）而言，會引起信號畸變。齊納二極管對電源上的浪湧也有很好的吸收作用。

1.2、瞬變電壓消除器 TVS (transient voltage suppressor)：TVS 是一種固態（tài）二極管，專（zhuān）門用於防止 ESD 瞬態電壓破壞（huài）敏感的半（bàn）導體器件。與傳（chuán）統的齊（qí）納（nà）二極管相比（bǐ）， TVS 二極管 p/n 結麵積更大，這一結構上的改進使 TVS 具有更強的高（gāo）壓承（chéng）受能力，同時也降低了電壓截止率，因而對於保（bǎo）護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。 TVS二極管的瞬態功率和（hé）瞬態電流性能與結（jié）的麵積成正比。該二極管的結具有較大的截麵（miàn）積，可以處理閃電和（hé） ESD 所引起的高瞬態（tài）電（diàn）流。TVS 也會有結電容，通常0.3個pf到（dào）幾十個（gè） pf。TVS有單極性的和雙極性的，使用時要注意。手機上用的TVS大約 0.01$，低容值的約2-3分$。

1.3、多層金屬氧化物結構器件 (MLV)：大陸（lù）一般稱為壓敏電阻（zǔ）。MLV也可以進行有效（xiào）的（de）瞬時高壓衝擊抑製，此類器件具有（yǒu）非線性電壓 - 電（diàn）流 ( 阻抗表現 ) 關係，截止電壓可達初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適（shì）合用於對電壓（yā）不太敏感的線路和器（qì）件的靜電或浪（làng）湧保護，如電源回路，按鍵輸入端等。手機用壓敏電阻約0.0015$, 大約是TVS價（jià）格的（de）1/6，但（dàn）是防護效果沒（méi）有TVS好，且壓敏電阻有壽命老（lǎo）化。

2、串聯阻抗 一般可以通過串聯電阻（zǔ）或者（zhě）磁（cí）珠來限製ESD放電電流，達到防靜電的（de）目的。如手機的高（gāo）輸入阻抗的端口可以串1k歐電阻來防護，如ADC，輸入的（de）GPIO，按鍵等。不要擔心0402的（de）電阻會被（bèi）打壞，實踐證（zhèng）明是打不壞的。這（zhè）裏（lǐ）不詳細分析。用電阻做ESD防護（hù）幾乎（hū）不增（zēng）加成本。如果用磁珠，磁珠的價格大約0.002$,和壓敏電（diàn）阻差不多。

3、增加濾波網絡 前麵提到了靜電的能（néng）量頻譜，如果用濾波器濾掉主要的能（néng）量也能（néng）達到靜電防護的目的。 對於低頻信號（hào），如GPIO輸入，ADC，音（yīn）頻輸入可以用1k+1000pf的電（diàn）容來做靜電防護（hù），成本可以忽略，性能不比壓敏電阻差，如果用1k+50pf的壓敏電阻（下麵講的複合防護措施），效果（guǒ）更（gèng）好，經驗證明這樣防護效果有時超過TVS。 對於射頻天線的微波信號，如果用TVS管，壓敏等容性器件來做靜（jìng）電防護，射頻（pín）信號會被衰減，因此要（yào）求TVS的電容（róng）很低，這樣增加ESD措施的（de）成（chéng）本。對於微波信號可以對地並聯一個幾十nh的電感來為靜電提供一個放（fàng）電通（tōng）道，對微波信號幾（jǐ）乎（hū）沒有影（yǐng）響，對於900mhz和1800mhz的手機經常用22nh的電（diàn）感。這樣能（néng）把靜電主要能量頻譜上的能量（liàng）吸收掉很（hěn）多（duō）。

4、複合防護 有一種器件叫EMI filter，他有很好的ESD防護效果，EMI filter也有基（jī）於TVS管的（de）和基於壓敏電阻的，前者效果好，但很貴，後者（zhě）廉價，一般4路基於壓敏電阻的（de）EMI價格在0.02$。 實際應用中可以用下（xià）麵（miàn）的一個電阻+一個（gè）壓敏電阻的方式。他既（jì）有低通濾（lǜ）波器的（de）功（gōng）能，又有（yǒu）壓敏電阻的（de）功能，還有電阻串聯限流（liú）的功能。是性價比很好的防護方式，對於高阻信（xìn）號可以采用1k電阻+50pf壓敏；對於耳機等音頻輸出信號可以采用100歐電阻（zǔ）+壓敏電阻；對於TP信號串聯電阻不能太（tài）大否則（zé）影（yǐng）響TP的線性，可以采用10歐電阻。雖然電阻小了（le），低通濾波器效果已經沒有了，但限（xiàn）流作用還是（shì）很重要的。

5、增加吸收回路 可以在敏感信號附件（jiàn）增加（jiā）地的漏銅，來吸收靜電。道理和避雷針原理一樣（yàng）。在信號線上放置放電點（火花隙）在山寨手機設計中也經常應用。