靜電防護設計（jì）技巧與ESD防護

靜電放電（ESD）理論研究的（de）已經（jīng）相當成熟（shú），為了模擬（nǐ）分析靜電事件，前人設計了很多靜電放電模型。

常見的靜電模型有：人體模型（HBM），帶電器件模（mó）型，場感應模型，場增（zēng）強（qiáng）模型（xíng），機器模型和電容（róng）耦（ǒu）合模型等。芯片（piàn）級一般用HBM做測試，而電子產品（pǐn）則用IEC 6 1000-4-2的放電模型做測試。為對 ESD 的測試進行統一規範，在工業標（biāo）準方（fāng）麵，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變衝擊抑（yì）製（zhì）標準；電子產品必須符合這一（yī）標準之後方能銷往歐共（gòng）體的各（gè）個成員（yuán）國。

因此，大多數生產廠家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試（shì）的事實標準。我國的國家標（biāo）準（GB/T 17626.2-1998）等同於I EC 6 1000-4-2。大多是實驗室用的（de）靜電發生（shēng）器就是按 IEC 6 1000-4-2的標準，分為接觸（chù）放（fàng）電（diàn）和空氣放（fàng）電。靜電發生器的模型如圖（tú） 1。 放電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭和圓頭兩（liǎng）種。

IEC 61000-4-2的 靜電放電的波形如圖2，可（kě）以看到靜電放電主要電（diàn）流是一個上升沿（yán）在（zài）1nS左右的一個上升沿，要消除這個上升沿要求ESD保護器件響應時間要小於這個時間（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（pín）譜上考慮，如濾波器濾除相應（yīng）頻帶的能量來實現靜電防護。其放電頻譜如下，這個圖是我自己畫（huà）的，隻能定性的看，不能定量。

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

當集成電（diàn）路（ IC ）經受靜電放電（ ESD）時，放電回路的電阻通常都很小，無法限製放電（diàn）電流。例（lì）如將帶靜電的電纜插到電路接口上時，放電回路的電阻幾乎為零，造（zào）成高達數十安培的瞬（shùn）間放電尖峰（fēng）電流，流入相應的（de） IC 管（guǎn）腳。瞬間大（dà）電流會嚴重損傷 IC ，局部（bù）發熱的（de）熱量甚至會融（róng）化矽片管芯。ESD 對（duì） IC的（de）損傷（shāng）還包括內部金屬連接被燒（shāo）斷，鈍化層受到破壞（huài），晶體（tǐ）管單元被燒壞。

ESD 還會引起（qǐ） IC 的死鎖（ LATCHUP）。這種效應和 CMOS 器件內部的類似可控矽的結構單元被（bèi）激活有關。高電壓可激活這些結構（gòu），形成大電流信道，一（yī）般是從 VCC 到地。串（chuàn）行接口器件的死鎖電流可高（gāo）達 1A 。死鎖電流會一（yī）直保持，直到器件被斷電。不（bú）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

常用的（de）放電器（qì）件（jiàn）有TVS，齊納二極管，壓敏電阻，氣體放電（diàn）管等。如圖

1.1、齊（qí）納二極管（ Zener Diodes ，也稱穩壓二極（jí）管 ） ： 利用（yòng）齊納二極管的反向擊穿特（tè）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。齊納二極管對電源上的浪湧也有很好的吸收（shōu）作用。

1.2、瞬變電（diàn）壓消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor)：TVS 是一種固態二極管，專門用於防止 ESD 瞬態電壓破（pò）壞（huài）敏（mǐn）感的半導體器件。與（yǔ）傳統的齊納二極管相比， TVS 二極（jí）管 P/N 結麵積更大，這一結構上的改進使 TVS 具有更強的高壓承受能力（lì），同時也降低了電壓截止率，因而對於（yú）保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。

TVS二（èr）極管的瞬態功率和瞬態電流性能（néng）與結的麵積成正比（bǐ）。該二極管（guǎn）的結具（jù）有較大的截麵積（jī），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（gè）pF到幾十個pF。TVS有單極（jí）性的和雙極性的，使用時要注意（yì）。手機上用的TVS大約0.01$，低（dī）容值的約2-3分$。

1.3、多層金屬氧化物結（jié）構（gòu）器件 (MLV)：大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也（yě）可以進行有效的瞬時高壓衝擊抑製，此類器件具有（yǒu）非線性電（diàn）壓 - 電流 ( 阻抗表（biǎo）現 ) 關係，截止電壓可達（dá）最初（chū）中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用（yòng）於對電壓（yā）不太敏感（gǎn）的（de）線路和器件的（de）靜電或（huò）浪湧保護，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價格的1/6，但是防護效果沒有TVS好（hǎo），且（qiě）壓敏電阻有壽命老化。

一般可以通過串聯電阻或者磁（cí）珠來限製ESD放（fàng）電電（diàn）流，達到防靜電的目的。如圖。如手機的高輸入阻抗的端口可以串1K歐電阻來防護，如ADC，輸（shū）入的GPIO，按鍵等。不要擔心0402的電阻（zǔ）會被打壞，實踐證明是打不壞（huài）的。這裏不詳細分析。用電阻做ESD防護幾乎不增加成本（běn）。如果用磁珠，磁珠的價格大 約0.002$,和（hé）壓敏電阻差不多。

前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電防護的目的（de）。

對於低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸（shū）入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護，成本可以（yǐ）忽略，性能不比壓（yā）敏電阻差，如果用1K+50PF的壓敏（mǐn）電阻（下麵講的複合防護措施），效果更（gèng）好，經驗證明這樣防護效果（guǒ）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（lái）做靜電防（fáng）護，射頻信號會被衰（shuāi）減，因此要（yào）求（qiú）TVS的電容很低，這樣增加（jiā）ESD措施的成本。對於微波信號（hào）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（yǒu）影響，對於900MHZ和1800MHz的手（shǒu）機經常用22nH的電感。這樣能把靜電主（zhǔ）要能量頻譜上的能量吸收掉很多（duō）。

有一種器件叫EMI filter，他有很好的ESD防護效果，如圖。EMI filter也有基於TVS管的和基於壓敏電阻的，前（qián）者效果好，但很貴，後者廉價，一（yī）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（mǐn）電阻的方式。他既有低通濾波器（qì）的功能，又有壓敏電阻的功能，還有（yǒu）電阻串聯限流的功（gōng）能。是性價比最.好.的防護方式，對於高阻信號可以（yǐ）采用1K電阻+50PF壓敏（mǐn）；對於耳機等音頻輸（shū）出信號可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對於TP信號串（chuàn）聯電阻不能太大否則影響TP的線性（xìng），可（kě）以采用10歐（ōu）電阻。雖然電阻小了（le），低（dī）通濾波器效果已經沒有了，但限流作用（yòng）還（hái）是很重要的。

可以（yǐ）在敏感信號附件增加地的漏銅，來（lái）吸收靜電。道理和避雷針原（yuán）理一樣。在信號線上放置尖.端.放（fàng）電點（火花（huā）隙）在山（shān）寨手機設計中也經常應用。