ESD防護方法與電路級靜電防護設計技巧

靜電（diàn）放電（ESD）理論研究的已經相（xiàng）當（dāng）成（chéng）熟，為了模擬分析靜電事（shì）件，前人設計了很多靜電放電模（mó）型。

常見（jiàn）的靜電（diàn）模型有：人（rén）體模型（HBM），帶（dài）電器件模型，場感應模型（xíng），場增強模型，機器模型和電（diàn）容（róng）耦合模型等。芯片級一（yī）般用HBM做測試，而電子產品則用IEC 6 1000-4-2的放（fàng）電模型做測試。為對 ESD 的測（cè）試進行統（tǒng）一規範，在工業標準方麵，歐共（gòng）體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變衝擊抑製標準；電子產（chǎn）品必須符合這一標準之後方能（néng）銷往（wǎng）歐（ōu）共體（tǐ）的各個成員國。

因此，大（dà）多數生產廠家都（dōu）把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實標準。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同於I EC 6 1000-4-2。大多是實驗室用的靜電發生器（qì）就是按 IEC 6 1000-4-2的標準，分為接觸放電和空氣放（fàng）電。靜電發（fā）生器的模型如圖 1。 放電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭和圓頭兩種。

IEC 61000-4-2的 靜電放電的波形如圖2，可（kě）以（yǐ）看到靜電放電主（zhǔ）要電流是一（yī）個上升沿（yán）在1nS左右的（de）一個上升沿，要消除這個上升（shēng）沿要求ESD保護器（qì）件響應時間要（yào）小於這個時間（jiān）。靜電放電的能量主（zhǔ）要（yào）集中在幾十MHz到500MHz，很多時候我們能從頻譜上考慮，如濾波器濾除相應頻帶的能量來實現靜電防護。其放電頻譜如下，這個圖是我自己（jǐ）畫的，隻能定性的看，不能定量。

IEC 61000-4-2規定了幾個（gè）試驗等級，目前手機CTA測試執行得是3級，即接觸（chù）放電6KV，空氣放電8KV。很多手機廠家內部執行更高的靜電防（fáng）護等級。

當集成電路（ IC ）經受靜（jìng）電放電（ ESD）時，放電回路的電阻通常都很小，無（wú）法（fǎ）限製放電（diàn）電流。例如將帶靜電的電纜（lǎn）插到電路接口（kǒu）上時，放電回路的電阻幾乎為（wéi）零，造成高達數（shù）十安培的瞬（shùn）間放電尖峰電流（liú），流入相應的 IC 管腳。瞬（shùn）間大電流會（huì）嚴重損傷 IC ，局部發熱的熱（rè）量甚至會（huì）融化矽片管（guǎn）芯。ESD 對 IC的（de）損傷還（hái）包括內部金屬連接被燒斷，鈍化層（céng）受到破壞（huài），晶體管單元被燒壞。

ESD 還會（huì）引（yǐn）起 IC 的死鎖（ LATCHUP）。這種效應和 CMOS 器件內部的類似可（kě）控矽的結構（gòu）單元被激活有關。高電（diàn）壓（yā）可激活這些結構，形（xíng）成大電流信道，一般是（shì）從 VCC 到地。串行接口器件的死（sǐ）鎖電流可高達 1A 。死鎖電流會一直保（bǎo）持（chí），直到器件被（bèi）斷（duàn）電。不過到那時， IC 通常早已因過熱（rè）而燒毀了。

電路級ESD防護方法

常用的放電器件有TVS，齊納二極管（guǎn），壓敏電阻，氣體放電管等。如圖

1.1、齊納二極管（ Zener Diodes ，也（yě）稱穩壓二極管 ） ： 利用（yòng）齊納二極管的反向擊穿特性可以保護 ESD敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pF 的電容，這對於高速信號（例如 500MHz）而言，會引起信號畸變。齊納二極（jí）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（shì）一種固態二極管，專門用於防止 ESD 瞬態電壓破壞敏感的半導體器件。與傳統的齊納二極管（guǎn）相比， TVS 二極管 P/N 結麵（miàn）積更大，這一結構上的（de）改進使 TVS 具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率，因而對於保護手持設備（bèi）低（dī）工作電壓回路（lù）的安全具（jù）有更好效果。

TVS二極管的瞬態功率和瞬（shùn）態電流性能與結的麵積成正比。該二極管的結具有（yǒu）較大的截麵積，可以處（chù）理閃電和（hé） ESD所引起的高瞬態（tài）電流。TVS也會有結電容，通常0.3個pF到幾十個pF。TVS有單極性的和雙極性的，使（shǐ）用時要注意。手機上用的TVS大約0.01$，低容（róng）值的約2-3分$。

1.3、多層（céng）金屬氧化物結構器件 (MLV)：大陸（lù）一般稱為壓敏電（diàn）阻。MLV也可以進行有效的瞬時高壓衝擊抑製，此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關係，截止電壓可達（dá）最初（chū）中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特（tè）性適合用於對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪湧保護，如電（diàn）源（yuán）回（huí）路，按鍵輸入端等。手機用壓敏電阻約0.0015$,大（dà）約是TVS價格的1/6，但是防護效果沒有（yǒu）TVS好（hǎo），且壓敏電阻有壽命老化。

一般可以通過串聯（lián）電阻或者磁珠來限製ESD放電（diàn）電流，達到（dào）防靜電的目的（de）。如圖。如手機的高輸入阻（zǔ）抗的端（duān）口可以串1K歐電阻來防護，如（rú）ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔（dān）心0402的電阻會被打壞，實踐證明（míng）是打不壞的。這裏（lǐ）不詳細分析。用電阻做ESD防護幾（jǐ）乎不增加成本。如果用（yòng）磁珠，磁珠的價格大 約0.002$,和壓敏電阻差不多。

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量也能達到靜電防（fáng）護的目的。

對於低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜（jìng）電防護，成本可以忽略，性能不比（bǐ）壓敏電阻差，如果用1K+50PF的壓敏電阻（下麵講的複合防護（hù）措施），效果（guǒ）更好，經驗證明這樣防護效果有時超過TVS。

對於射（shè）頻天線（xiàn）的微波信號，如果用TVS管，壓敏等容性器件來做靜（jìng）電防護，射頻信號會被衰減，因此要求TVS的電容很低，這樣增加ESD措施的成本。對於微波信（xìn）號可以對地並聯一個幾十nH的電感來為靜電（diàn）提（tí）供一個放電通（tōng）道，對微波（bō）信號幾乎沒有影響，對於900MHZ和（hé）1800MHz的手機經常用22nH的電感（gǎn）。這（zhè）樣能把（bǎ）靜電主要能量頻譜上的能量吸收掉（diào）很（hěn）多。

有一種器（qì）件叫EMI filter，他有很好（hǎo）的ESD防護效果，如圖。EMI filter也有基於TVS管的和（hé）基於壓敏電阻的，前者效果好，但很貴，後者廉價，一般4路（lù）基於壓敏電阻的EMI價格在0.02$。

實際應用中可以用下麵的一個電阻+一個壓敏電阻的方式。他既有低通濾波器的功能，又有壓敏電阻的功能，還有電阻（zǔ）串聯限流的功能。是性價比ZUI（）好的防護方式，對於高阻信號可以采用1K電阻+50PF壓敏（mǐn）；對（duì）於耳機等音頻輸（shū）出信號可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對於TP信號（hào）串聯（lián）電阻不能太大否則影（yǐng）響TP的線性，可以采用（yòng）10歐電阻。雖然電（diàn）阻小了，低通濾波器效果已經沒有了，但限流作用還是很重（chóng）要（yào）的。

可以在敏感信號附件增加地的漏銅，來吸收靜電。道理和避雷針原理（lǐ）一樣。在信（xìn）號線上放置尖（）端放電（diàn）點（火（huǒ）花隙）在山寨手機設計中也經常應用。