電（diàn）路級靜（jìng）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（fèn）析靜電事件，前人設計了很多靜電放電（diàn）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（xíng），場增強模型，機器模型和電容耦合模型等。芯片級一般用HBM做測（cè）試，而電子（zǐ）產品（pǐn）則用IEC 6 1000-4-2的放電模型做測試。為對（duì） ESD 的測（cè）試進行統一規範，在工業標準方（fāng）麵，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立（lì）起嚴格的瞬（shùn）變衝擊抑製標準；電子產品必須符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（shù）生產廠家都把 IEC 61000-4-2看（kàn）作是 ESD 測（cè）試的事實標準。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同於IEC 61000-4-2。大多（duō）是實（shí）驗室用的（de）靜電發生器就是按（àn） IEC 61000-4-2的標準，分為接觸放電和空氣放電。放電頭按接觸放電和空氣放電（diàn）分尖（jiān）頭和圓（yuán）頭兩種。

IEC 61000-4-2的 靜電放電（diàn）的波形如圖2，可（kě）以（yǐ）看（kàn）到靜電放電主要電流（liú）是一個上升沿在1nS左右的一個上升沿，要消除這個（gè）上升沿要求ESD保護器件響應（yīng）時（shí）間要小於這（zhè）個時間。靜電放電的能量（liàng）主要集中在（zài）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（pǔ）如下，這個圖是我自己畫（huà）的，隻能（néng）定性的看，不能定量（liàng）。

IEC 61000-4-2規定了幾個試驗等級，目前手（shǒu）機（jī）CTA測試執行得是3級，即（jí）接觸放電6KV，空（kōng）氣放電8KV。很多手機廠（chǎng）家內部執（zhí）行更高的（de）靜電防（fáng）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（dōu）很小，無（wú）法（fǎ）限製放（fàng）電（diàn）電（diàn）流。例如（rú）將帶靜電的電纜插到電路接口（kǒu）上（shàng）時（shí），放電回路的電阻幾乎為零，造成高達（dá）數十安培的瞬間放電尖峰電流，流入相（xiàng）應的 IC 管腳。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芯。ESD 對 IC的損傷還包括內部金屬連接被（bèi）燒斷，鈍化層受到（dào）破壞（huài），晶體（tǐ）管單元被燒壞。

ESD 還會引（yǐn）起 IC 的死鎖（ LATCHUP）。這種效應和（hé） CMOS 器件內部的（de）類似可控矽的結構單元被（bèi）激活有關。高電壓（yā）可（kě）激活這些結構，形成大電（diàn）流信道（dào），一般是從（cóng） VCC 到地。串行接（jiē）口器件的死鎖電流可高達 1A 。死鎖電（diàn）流會一直保持，直到（dào）器件被斷電（diàn）。不過到那時， IC 通常早已因過熱而燒毀了。

電路級ESD防（fáng）護方法

 1、並聯放電器件

 常用的放電器件有tvs，齊納二極（jí）管，壓敏（mǐn）電阻，氣體放電管等。如圖

1.1、齊納二極管（ Zener Diodes ，也稱穩壓（yā）二極（jí）管 ） ：利（lì）用齊（qí）納二極（jí）管的反向擊穿特性可以（yǐ）保護（hù） ESD敏感（gǎn）器件。但（dàn）是齊納二極管通常有幾十 pF 的電容，這對於高（gāo）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作（zuò）用（yòng）。

1.2、瞬變電壓消除（chú）器 TVS(Transient Voltage Suppressor)：TVS 是一（yī）種固態二極管，專（zhuān）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（èr）極管 P/N 結麵積更大，這一結構上的改（gǎi）進使 TVS 具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止（zhǐ）率，因而對於保（bǎo）護手持設備低工作電壓回路（lù）的（de）安全具有（yǒu）更好效果。

TVS二極管的（de）瞬態功（gōng）率（lǜ）和瞬（shùn）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。手機上用的TVS大約0.01$，低容值的約2-3分$。

1.3、多層金（jīn）屬氧（yǎng）化物結構器件（jiàn） (MLV)：大陸一般稱為壓敏電（diàn）阻（zǔ）。MLV也可以進（jìn）行有效的瞬時高壓衝擊抑製，此類器件具有（yǒu）非線性電壓（yā） - 電流 ( 阻抗表現 ) 關係，截（jié）止電壓可達初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用於對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪湧（yǒng）保（bǎo）護，如電（diàn）源回（huí）路，按（àn）鍵輸入端等。手機用壓敏電阻約（yuē）0.0015$,大約是TVS價格的1/6，但（dàn）是防（fáng）護效（xiào）果（guǒ）沒有TVS好，且（qiě）壓敏電阻有壽命老化。

 2、串聯阻抗

 一般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。如圖。如（rú）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（jiàn）等。不要擔心0402的電阻會被（bèi）打壞，實踐證明（míng）是打不壞的。這裏（lǐ）不詳細（xì）分析。用電阻做ESD防護幾乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的價格大 約0.002$,和壓敏電阻差不（bú）多。

 3、增加濾波網絡

前麵提到了靜電的能量頻譜，如果用濾波器濾（lǜ）掉主要的能量也能達到靜電防護的目（mù）的。

對於（yú）低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以（yǐ）用1k+1000PF的電（diàn）容來做（zuò）靜（jìng）電防護，成本可以忽略，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（xiàn）的微波信號，如果用TVS管，壓敏等容性器件來做靜電防護，射（shè）頻信（xìn）號會被衰減（jiǎn），因此要求TVS的電容很低，這樣增加ESD措施的成本。對於微（wēi）波信號可（kě）以（yǐ）對（duì）地並聯一個幾十nH的電感來為靜（jìng）電提供一個放電通道，對微波信號幾乎（hū）沒有影響，對於900MHZ和1800MHz的手機經常用22nH的（de）電感。這樣能把（bǎ）靜電主要能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（yǒu）很好的ESD防護效果，如（rú）圖。EMI filter也有基於TVS管的和基於壓敏電阻的，前者效果好，但很貴，後者廉價，一般4路基於（yú）壓敏（mǐn）電阻的EMI價格在0.02$。

實際應用（yòng）中可以用下麵的一個電（diàn）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（yǒu）電阻串聯限流的功能。是性價比.好.的防護方式，對（duì）於（yú）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用100歐電阻（zǔ）+壓敏電阻；對於TP信（xìn）號串聯電阻不能太大否則影響TP的線性，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，但限流作用還是很重要的。

 5、增加（jiā）吸收回路

 可以在敏感（gǎn）信號附件增加地的漏銅，來吸收靜電。道理和避雷針原（yuán）理一樣。在信號線上放置放電點（火花隙）在山寨手機設（shè）計中也經常應用。