電路級靜電防護設計技巧與ESD防護方法

靜電放電（ESD）理論研究的已經相當成熟，為了模擬分析靜電事件，前人設計了（le）很多靜電放電模型。

常見的靜電模型有：人體模型（HBM），帶電器件模型，場感（gǎn）應模型，場增強模型，機器（qì）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 6 1000-4-2的放電模型做測（cè）試。為對 ESD 的測試進（jìn）行統（tǒng）一規範，在工（gōng）業標（biāo）準方麵，歐共體的 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（bì）須符合（hé）這一（yī）標準之後（hòu）方能銷往歐共（gòng）體的各個成員國。

因此，大多數生產廠家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事（shì）實標準。我國的（de）國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同於IEC 61000-4-2。大多是實驗室用的靜（jìng）電發（fā）生器就是按 IEC 61000-4-2的標準（zhǔn），分為接觸放電和空（kōng）氣放電。放（fàng）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，可以看到靜（jìng）電放電主要（yào）電流（liú）是一個上升沿在1nS左右的一個上升沿，要消除這個上升（shēng）沿要求ESD保護器件響應時間要小於這（zhè）個時間。靜電放電（diàn）的能量主要集中在幾十MHz到（dào）500MHz，很（hěn）多時候我們能從頻譜上（shàng）考慮，如濾波器濾除相（xiàng）應頻帶的能量來實現靜電防（fáng）護。其放電頻譜如下，這個圖是我（wǒ）自己畫的，隻能定性的看，不能定量。

IEC 61000-4-2規定了（le）幾個試驗等級，目前手機CTA測試執行得是3級，即接觸放電6KV，空氣放（fàng）電8KV。很多手機廠家內部執（zhí）行更高的靜（jìng）電防（fáng）護等（děng）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，無法限製放電電流。例如將（jiāng）帶靜電（diàn）的（de）電（diàn）纜插到電路接口上時，放電回路的電阻幾乎為零，造成高達數十安（ān）培的瞬間放電尖峰（fēng）電流，流入相應的 IC 管（guǎn）腳。瞬間大電流會嚴重損傷 IC ，局部發熱的熱量甚至會融化矽片管（guǎn）芯。ESD 對 IC的損傷還包括內部金屬連接被燒斷，鈍化層受到破（pò）壞，晶體管單元被燒壞。

ESD 還會（huì）引起 IC 的死（sǐ）鎖（ LATCHUP）。這種效應和 CMOS 器件內部（bù）的類似可控矽的結構單（dān）元被激活有關。高電壓（yā）可激活這些結構，形成大電流信道，一般是從 VCC 到地。串行接口器件（jiàn）的死鎖電流可高達 1A 。死（sǐ）鎖電流會（huì）一直保持，直到（dào）器件被斷電。不過（guò）到（dào）那時， IC 通常早已因過熱（rè）而燒（shāo）毀了。

電路級ESD防護方法

 1、並聯放電器件

 常用的放電器（qì）件有tvs，齊納（nà）二極管，壓敏電阻，氣體放（fàng）電管等。如圖

1.1、齊納二極管（ Zener Diodes ，也稱穩壓二極管 ） ：利用齊（qí）納二極管的反向擊穿特性可以保護 ESD敏感器件。但（dàn）是齊納二極管通常有幾十 pF 的（de）電（diàn）容，這對於高速信號（例如 500MHz）而言，會引起信號（hào）畸變。齊納二極管對電源上的浪（làng）湧也有很好的吸（xī）收作用。

1.2、瞬變電（diàn）壓消除器（qì） TVS(Transient Voltage Suppressor)：TVS 是一種固（gù）態二極管，專門用（yòng）於防止 ESD 瞬態（tài）電（diàn）壓（yā）破壞敏感的半導體器件。與傳統（tǒng）的齊納二極管相比， TVS 二極（jí）管 P/N 結麵積更大，這一結構（gòu）上的改進使（shǐ） TVS 具有（yǒu）更強的高壓承受能（néng）力，同時也降低了電壓截止率（lǜ），因而對於保護手持設（shè）備低工作（zuò）電（diàn）壓回路的安（ān）全具（jù）有更好效果。

TVS二極管的瞬態功率和（hé）瞬態電流（liú）性能（néng）與結（jié）的麵積成正比。該二（èr）極管的結具有較大的截麵積，可以處理閃電和 ESD所引起的高瞬態電流。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，使用時要注意。手機上用的TVS大（dà）約0.01$，低（dī）容值的約2-3分$。

1.3、多層金屬氧化物結構器件（jiàn） (MLV)：大（dà）陸一般稱為（wéi）壓敏電阻。MLV也可（kě）以進行有效（xiào）的瞬時高壓衝擊（jī）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）初中止電壓的（de） 2 ～ 3倍。這（zhè）種（zhǒng）特性適合用於對電壓不太敏感的線路和（hé）器件的靜電（diàn）或浪湧保護，如電源（yuán）回路，按（àn）鍵輸入端等。手（shǒu）機用壓敏電阻（zǔ）約0.0015$,大約是TVS價格的1/6，但是防護效果沒有TVS好，且壓敏電阻有壽命老化。

 2、串聯阻抗

 一般可以通（tōng）過（guò）串聯電阻或者磁珠來限製ESD放電電（diàn）流（liú），達（dá）到防靜電的目的。如圖。如手機的高輸入阻抗（kàng）的端口可以串1K歐（ōu）電阻（zǔ）來防護，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔心0402的電阻會被打（dǎ）壞，實踐證明是打不壞的。這裏不詳細分析（xī）。用電阻做ESD防護幾乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的價格（gé）大 約（yuē）0.002$,和壓敏電阻差不多。

 3、增加濾波網絡

前（qián）麵提到了靜電的能量頻譜，如果用濾波器濾掉主要的能量也能達到靜（jìng）電防（fáng）護的目的（de）。

對於低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音（yīn）頻（pín）輸（shū）入可（kě）以用1k+1000PF的電容來做（zuò）靜電防護，成本可以忽略，性能不比壓敏電阻（zǔ）差，如果用1K+50PF的壓敏電阻（下麵講的複合防護措施），效果更好，經驗證明這樣防護效果有時超過TVS。

對於射頻（pín）天線的微波信號，如果用TVS管（guǎn），壓敏等容性器件來做靜電防護，射（shè）頻信（xìn）號會被衰減，因此要求TVS的電容很低，這樣增加（jiā）ESD措施的成本。對於（yú）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電通道，對微波信號幾乎沒有影響，對於900MHZ和1800MHz的手機經常用22nH的電（diàn）感。這樣能把靜電主要能（néng）量頻譜上的能量吸收掉很多。

 4、複合防護

 有一種器件叫EMI filter，他有很好的ESD防（fáng）護（hù）效果（guǒ），如圖。EMI filter也（yě）有（yǒu）基於TVS管的和基於壓敏（mǐn）電阻的，前者效果好，但很貴，後者廉價，一般4路基於壓敏電阻的EMI價格在0.02$。

實際（jì）應用中可以（yǐ）用（yòng）下麵的一個電阻+一個壓敏電阻的方式（shì）。他既有低通濾波器的功能，又有壓敏（mǐn）電（diàn）阻的功能，還有電（diàn）阻串聯限流的功能。是性價比（bǐ）.好.的（de）防護方式，對於高阻信號可以（yǐ）采用1K電阻+50PF壓敏；對於耳機等音頻輸（shū）出信號可以采用100歐電阻+壓敏（mǐn）電阻；對於TP信號串聯電阻不能太大否則影響TP的線性，可以采用10歐電阻。雖然電阻（zǔ）小了，低通濾波器效果已經沒有了，但（dàn）限流作用還是很重要的。

 5、增（zēng）加吸（xī）收（shōu）回路

 可以在敏（mǐn）感信（xìn）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。在信號線上放置（zhì）放電點（火花隙）在山（shān）寨手機設計（jì）中也經常應用。