電路ESD防護設計分（fèn）析

靜電放電（ESD）理論研究的（de）已經相當成熟，為了模擬分（fèn）析靜電事件（jiàn），前人設計（jì）了很多靜電放電模型。 常（cháng）見的靜電模型有：人體模型（HBM），帶電（diàn）器件模型，場感應模型，場增強模（mó）型，機器模型（xíng）和電容耦合模型等。芯片（piàn）級一般用HBM做測試，而電子產品則（zé）用IEC 61000-4-2的放電模型做測試。為對 ESD 的測試進行統一（yī）規範（fàn），在工業標準方麵，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變衝擊抑製標準；電子產品必須符合這一標準之後（hòu）方能銷往歐共體（tǐ）的各個成員國（guó）。 因此，大多（duō）數生產廠家都把（bǎ）IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實標準（zhǔn）。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同於IEC 61000-4-2。大多是實驗室（shì）用的靜電發生器就（jiù）是按 IEC 61000-4-2的標準，分為接觸放電和空氣放電。放電頭按接觸放（fàng）電和（hé）空氣放電分尖頭和圓頭兩（liǎng）種。

我們從IEC 61000-4-2的靜電放電的波形（xíng）可以看到靜電放電主要電流是一個上升沿在1ns左右的一個上升沿，要消除這個上升沿要求ESD保護器件（jiàn）響應（yīng）時間要小於這個時間。靜電放（fàng）電的能量主要集中在幾十mhz到500mhz，很多時候我（wǒ）們能（néng）從頻譜上考慮，如濾波器濾（lǜ）除相應頻帶的能量來實現靜電防護。

IEC 61000-4-2規定了幾個試驗等級（jí），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 ）經受靜電放電（ ESD）時，放電回路的電阻通（tōng）常都很小（xiǎo），無法（fǎ）限製放電電流（liú）。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上時，放（fàng）電回路（lù）的（de）電阻幾乎（hū）為零，造成高達數十安培的瞬間放（fàng）電尖峰電（diàn）流，流入相應的 IC 管腳。瞬間大電流會嚴重損傷IC ，局部發熱的熱（rè）量甚（shèn）至（zhì）會融化矽片管芯。ESD 對 IC的（de）損傷還包（bāo）括內部金屬連接（jiē）被燒斷（duàn），鈍化層受到破壞，晶體管單（dān）元被燒壞。 ESD 還（hái）會引起IC 的死鎖（LATCHUP）。這種效應和 CMOS 器件內部（bù）的類似（sì）可（kě）控（kòng）矽的結構單元被激活有關。高（gāo）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（chuàn）行接口器（qì）件的死鎖電流可高達 1A 。死鎖（suǒ）電流會一直保持，直到器件被斷電。不（bú）過到那時，IC 通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） 常用的放電器件有TVS，齊納二極管，壓敏電阻，氣體放電管等。

1.1、齊納二極管（ zener diodes ，也稱穩壓二極（jí）管 )：利用齊納二極管的反向擊穿（chuān）特性可（kě）以保護 ESD 敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pf 的電（diàn）容（róng），這對於高速信號（例（lì）如 500mhz）而言，會引起信號畸變。齊納（nà）二極管對電源（yuán）上的浪湧也有很好的吸（xī）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，專門用於防止 ESD 瞬態電壓（yā）破壞敏感的半導（dǎo）體器件。與傳統（tǒng）的齊納二極管相比， TVS 二極管 p/n 結麵積更大，這一結構上的（de）改（gǎi）進使 TVS 具（jù）有更強的（de）高（gāo）壓承受能力，同時也降低了（le）電壓截止率，因而對於保護手持設備低工作電壓回路的安（ān）全具有更好效果。 TVS二極管的瞬態功率和瞬態電流性能（néng）與結的麵積成正比。該二極管的結具有較大的截（jié）麵積，可以處理閃電和 ESD 所引起的高瞬態電流（liú）。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（de），使用時要注意。手（shǒu）機上用的TVS大約 0.01$，低容值（zhí）的約2-3分$。

1.3、多層金屬氧化物結（jié）構器件 (MLV)：大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也（yě）可以進行有效的（de）瞬時高壓衝擊抑製，此（cǐ）類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關係，截止電壓可達初中止電（diàn）壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用於對（duì）電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪湧保護，如電源回路，按鍵（jiàn）輸入端等。手機（jī）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TVS好，且壓敏電阻有壽命（mìng）老化（huà）。

2、串聯阻抗 一般（bān）可以通過串聯電阻或者磁珠來限製ESD放電電流，達到防靜電的目的（de）。如手（shǒu）機的高輸（shū）入阻（zǔ）抗的端口可以串1k歐電阻來防護，如（rú）ADC，輸入（rù）的GPIO，按鍵等（děng）。不要擔心0402的電阻會被打壞，實（shí）踐（jiàn）證明是打不壞的。這裏不詳細分析。用電阻做ESD防護幾乎不增加成本。如果用磁（cí）珠，磁珠的價格大約0.002$,和（hé）壓敏（mǐn）電阻差不多。

3、增加濾波網絡 前麵提到了靜電的能量頻譜，如果（guǒ）用濾波器濾掉主要的能量也能達（dá）到靜（jìng）電防護（hù）的目的。 對於低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸（shū）入可以（yǐ）用1k+1000pf的電容來做靜電防護，成本（běn）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（de）複合（hé）防護措施），效果更好，經驗證明這樣防護效果有時超過TVS。 對於射頻天線的微波信號，如果用TVS管，壓（yā）敏等容性器件來做靜電防護，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。對於微波信號可以對地並聯一個幾十nh的電感來為（wéi）靜電提供一（yī）個放電通道，對微波信號幾（jǐ）乎沒有影響，對於900mhz和1800mhz的手機經常用22nh的電感。這樣能把（bǎ）靜電主（zhǔ）要能量頻譜上的能量（liàng）吸收（shōu）掉很多。

4、複合防（fáng）護 有一種器件叫EMI filter，他有（yǒu）很好（hǎo）的ESD防護效（xiào）果，EMI filter也有基於TVS管的和基於壓敏電阻的，前者效果好（hǎo），但很貴，後者廉價，一般4路基於壓敏電阻的EMI價格在0.02$。 實際應用中可以用下麵的一個電（diàn）阻+一個壓敏電阻的方式（shì）。他既有低通濾波器的功能，又有壓敏電阻的功能，還有電阻串聯限流的功能。是性價比（bǐ）很（hěn）好的防（fáng）護方式，對於高阻信號（hào）可以采用1k電阻+50pf壓敏；對於耳機等音頻輸出信號可以采（cǎi）用100歐電阻+壓（yā）敏電阻（zǔ）；對（duì）於TP信號（hào）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（rán）電阻小了，低通濾波器效果已經沒有了（le），但（dàn）限流作用還是很重要的。

5、增加吸收回路 可（kě）以在敏感信號附件增加地的漏銅，來吸收靜電。道理和避雷針原理一（yī）樣。在信號線上放置放（fàng）電點（火花（huā）隙）在山寨手機設計中也經常應用。