ESD防護方法與電路（lù）級靜電防護設計技巧

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（shè）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（qì）件模型，場感應模型，場（chǎng）增（zēng）強模型，機器模型和（hé）電容耦合模型等。芯片級一（yī）般用HBM做測試，而電子產品則用IEC 6 1000-4-2的放電模型做測（cè）試。為對 ESD 的測試進行統一規範，在工業標準方麵，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬（shùn）變衝擊抑製（zhì）標準；電子產品必須符（fú）合這一標準之後方能銷往歐共體的各個成員國。

因此（cǐ），大多數生產廠家都把（bǎ） IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事（shì）實標準（zhǔn）。我國的國（guó）家標準（GB/T 17626.2-1998）等同於（yú）I EC 6 1000-4-2。大多是實驗室用的靜電發（fā）生器就是按 IEC 6 1000-4-2的標準，分為接觸放電和空氣放電（diàn）。靜電發生器的模型如圖 1。 放電頭按接觸放電和（hé）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）以看到靜電放電（diàn）主要電流（liú）是一個（gè）上升沿在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（shí）間（jiān）。靜電放電的能量主（zhǔ）要集中在幾十MHz到500MHz，很（hěn）多時候我們能從頻譜上考慮，如濾波器（qì）濾（lǜ）除相應頻（pín）帶的能量來實現靜電防護。其放電頻（pín）譜如下，這（zhè）個圖是我自己畫的，隻能定性（xìng）的看（kàn），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，即接（jiē）觸放（fàng）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（jí）成電路（ IC ）經受（shòu）靜電放電（diàn）（ ESD）時，放（fàng）電回路的電（diàn）阻通常都很小，無法限製放電電流。例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。瞬間大電流會嚴重損傷 IC ，局部發（fā）熱的熱量甚至會融化矽片管芯。ESD 對 IC的損傷還包括（kuò）內部金屬（shǔ）連接被燒斷，鈍化層受到破壞，晶體管單元（yuán）被燒壞。

ESD 還會引起 IC 的死鎖（ LATCHUP）。這種效應和 CMOS 器件內部的（de）類似可控矽的結構單元被激活有關。高電壓可激活（huó）這些結（jié）構，形成大電流（liú）信道，一般（bān）是從 VCC 到地。串行接口器件的死鎖電流（liú）可高達 1A 。死鎖電流會一直保持，直到器（qì）件被斷電。不過到那時， IC 通常早已因過熱而燒毀了。

電路級ESD防護方法

常用的放電器件有TVS，齊納二極管，壓敏電阻，氣體放電管等。如圖

1.1、齊納二極管（guǎn）（ Zener Diodes ，也稱穩壓二極管 ） ： 利用齊納二極管的反向擊（jī）穿特性（xìng）可以保（bǎo）護 ESD敏感器件。但是齊納二極管（guǎn）通常（cháng）有幾十 pF 的電容，這對於高速信號（hào）（例（lì）如（rú） 500MHz）而言，會引起信號畸變。齊納（nà）二極管對電源上的浪湧也有（yǒu）很好的吸收作用。

1.2、瞬變（biàn）電壓消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor)：TVS 是一種固態二極管，專門用於防止 ESD 瞬態電壓破壞敏感的半導體器件。與傳統的齊納二極管相比， TVS 二極管 P/N 結麵積更（gèng）大，這（zhè）一結構上的改進使 TVS 具有更強的高壓（yā）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低工作電（diàn）壓回路的安全具有更好效（xiào）果。

TVS二極管的瞬態功率和瞬態電流性能與結的麵積成正比。該二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（yòng）的TVS大（dà）約0.01$，低容值的（de）約（yuē）2-3分$。

1.3、多層金屬氧化物結構器件 (MLV)：大陸（lù）一（yī）般稱為壓敏電阻。MLV也可以進行（háng）有效的瞬時高（gāo）壓衝擊抑製，此類器件具有非線性電壓（yā） - 電流 ( 阻抗（kàng）表現 ) 關係，截（jié）止（zhǐ）電壓可達最（zuì）初中止電壓的 2 ～ 3倍。這（zhè）種特性適合用於對電壓不太敏感的線（xiàn）路和器件的靜電或浪湧保護，如電源回（huí）路，按鍵輸入端等。手機用壓敏電阻約0.0015$,大約是TVS價（jià）格（gé）的（de）1/6，但是防護效果沒有TVS好，且壓敏電阻有壽（shòu）命老化（huà）。

一般可以通過串聯電阻或者磁珠來限製ESD放電電（diàn）流，達到防靜電的（de）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，輸入的GPIO，按鍵等。不要（yào）擔（dān）心0402的電（diàn）阻會被打（dǎ）壞，實踐證明是打不壞的。這裏不（bú）詳細分析。用電阻做ESD防護幾乎不增（zēng）加成本。如果用磁珠，磁珠的價格大 約（yuē）0.002$,和壓（yā）敏電阻（zǔ）差不（bú）多（duō）。

前麵提到了靜（jìng）電的能量頻（pín）譜，如果用濾波器濾掉（diào）主要（yào）的能量（liàng）也（yě）能達到靜電（diàn）防護的目（mù）的。

對於低頻信號，如（rú）GPIO輸（shū）入，ADC，音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護，成本可以忽略，性能不比壓敏電阻（zǔ）差，如果（guǒ）用1K+50PF的壓敏電阻（下麵講的複合防護措（cuò）施），效果更好，經（jīng）驗證明這樣防護效果有時超（chāo）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，射頻信號（hào）會被衰減（jiǎn），因此要求TVS的電容很低，這樣增加ESD措施的成本。對於微波信號可（kě）以對地並聯一（yī）個幾十nH的電感來為靜電提供一個放電通道，對微波（bō）信號（hào）幾乎沒有影響（xiǎng），對於900MHZ和1800MHz的手機經常用22nH的電感。這樣能把（bǎ）靜電主要能量頻譜上的能量吸收掉（diào）很多。

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

實際應用中可以用下麵的（de）一個電阻+一個壓（yā）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，還有電阻串聯限流的功能。是性價比ZUI（）好的防護方式，對於高阻（zǔ）信號可以采用1K電阻+50PF壓敏；對於耳機等音頻輸出信號可以采用100歐（ōu）電阻（zǔ）+壓敏電阻；對於TP信號串聯電阻（zǔ）不能太大否則影響TP的線性（xìng），可以采用10歐電（diàn）阻。雖然電阻小了，低（dī）通濾波器（qì）效果已經沒有了，但限流作用（yòng）還是很重要的。

可以在敏感（gǎn）信號附件增加地的漏銅，來（lái）吸收靜電。道理和（hé）避雷針原理一樣。在信號線上放置尖（）端放電點（diǎn）（火花隙）在（zài）山寨手機設計中也經常應用。