靜電防護設計技巧與ESD防護

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

常見（jiàn）的靜電模型有：人（rén）體模型（HBM），帶電器件模型，場（chǎng）感應模型，場增強模（mó）型（xíng），機器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（zé）用IEC 6 1000-4-2的放電模型做測試。為對 ESD 的測（cè）試進行（háng）統一規範，在工業標準方（fāng）麵，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建（jiàn）立（lì）起嚴格的瞬變衝（chōng）擊抑製標準；電子產品必須符（fú）合這一標準之後方能銷往歐共體的（de）各個成員國。

因此，大多數生產廠家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實標準。我國的國（guó）家標準（GB/T 17626.2-1998）等同於I EC 6 1000-4-2。大多是實驗室用的靜電發生器就是按 IEC 6 1000-4-2的標（biāo）準，分為接觸放電和空氣放電。靜電發生器的模型如圖 1。 放電頭按接（jiē）觸放電（diàn）和空氣放電分尖頭和圓頭（tóu）兩種。

IEC 61000-4-2的 靜電放電（diàn）的波形（xíng）如圖2，可以看到靜（jìng）電放（fàng）電主要電流是一（yī）個上（shàng）升沿在1nS左右的一個上升（shēng）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。靜電放電的能量主要集中在幾十MHz到500MHz，很多時候（hòu）我們能從頻譜上考慮，如濾波器（qì）濾除相應頻帶的能量來（lái）實現靜電防護。其放（fàng）電頻譜如下，這個圖是我自己畫的，隻能定性的看，不能定量（liàng）。

IEC 61000-4-2規定了幾個試驗等級，目前手機CTA測試執行得是3級，即接觸放電6KV，空氣放電8KV。很多手（shǒu）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（diàn）回路的電阻通（tōng）常都很（hěn）小，無法限製放電電流。例如將（jiāng）帶靜電的電纜插到電路接口上時，放電回（huí）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（guǎn）腳（jiǎo）。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（piàn）管芯。ESD 對（duì） IC的損傷還包（bāo）括內部金屬連接（jiē）被燒斷，鈍化（huà）層受到破壞，晶體管單元被燒壞。

ESD 還會引起 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激活有關。高電壓可激活這些結構（gòu），形成（chéng）大電流（liú）信道，一般是從 VCC 到地。串行（háng）接（jiē）口器件的死鎖電流可高達 1A 。死（sǐ）鎖電流會一直保持，直到（dào）器件被斷電。不（bú）過到（dào）那時， IC 通常早已因過熱而燒毀（huǐ）了。

電路級ESD防護方法

常用的放電器件有（yǒu）TVS，齊納二極管，壓敏電阻，氣（qì）體放（fàng）電管等。如圖

1.1、齊納二極管（ Zener Diodes ，也稱穩壓（yā）二極（jí）管 ） ： 利用齊納二極管的反向擊（jī）穿特性可（kě）以保護 ESD敏感器件。但是齊納二極管（guǎn）通常有幾十（shí） pF 的電容，這對（duì）於高速（sù）信號（例如 500MHz）而言，會（huì）引起信號畸變。齊納二極管對電源（yuán）上的浪湧也有很好的吸收作用（yòng）。

1.2、瞬變電壓消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor)：TVS 是一種固（gù）態二極管，專門用於防止（zhǐ） ESD 瞬態電（diàn）壓（yā）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（miàn）積更大（dà），這一（yī）結構上的改進（jìn）使 TVS 具有更強的高壓承（chéng）受能力，同時也降低了電壓截止率，因而（ér）對於（yú）保（bǎo）護手持設（shè）備低工作（zuò）電壓回路的安全具（jù）有更好效果。

TVS二極管的瞬態功率和瞬態（tài）電流性能與結的麵積成正比。該二極管（guǎn）的結（jié）具有較大的截麵積，可（kě）以處理閃電和 ESD所（suǒ）引起（qǐ）的高瞬態電（diàn）流。TVS也會有結電容，通常0.3個（gè）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也可以進（jìn）行有（yǒu）效的瞬時高壓衝擊抑製，此（cǐ）類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻（zǔ）抗表（biǎo）現 ) 關係，截止電壓可達最初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用於對電壓不太（tài）敏感的線路和（hé）器件的靜電或浪（làng）湧保護，如電源回（huí）路，按鍵（jiàn）輸入端等。手機用壓（yā）敏電阻約0.0015$,大約（yuē）是TVS價格的1/6，但是防護效果沒有TVS好，且壓敏電阻有（yǒu）壽命老化。

一般可以通過串聯電阻或者（zhě）磁珠來限製（zhì）ESD放電電流，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（zǔ）來防護，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔心0402的電（diàn）阻會被打壞，實踐（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。如果用磁珠，磁珠的價格大 約0.002$,和壓敏電阻差不多。

前麵提到了靜電的能量（liàng）頻譜，如果用（yòng）濾波器濾掉主要的能量也能達到靜電防護的目的。

對於低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以（yǐ）用1k+1000PF的電容來做靜電防護，成本可以忽（hū）略，性能（néng）不比壓敏電阻差，如（rú）果用1K+50PF的壓敏電阻（下麵講的複合防（fáng）護措施），效果更好，經驗（yàn）證明這（zhè）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（guǎn），壓敏等容性器件來做靜電防護，射頻信號會被（bèi）衰減，因此要（yào）求TVS的電容（róng）很低，這樣（yàng）增加ESD措施的成本。對於微波信號可以對（duì）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的電感。這（zhè）樣能把靜電主要能量頻譜上的能量吸（xī）收掉很多。

有一種器件叫EMI filter，他有（yǒu）很好（hǎo）的ESD防護效果，如圖。EMI filter也（yě）有（yǒu）基於（yú）TVS管的和基於壓敏電阻的，前者效果好，但很貴，後者廉價（jià），一（yī）般4路基於壓敏（mǐn）電阻的EMI價格在0.02$。

實際應用中可以用下麵（miàn）的一個電阻（zǔ）+一個壓敏電（diàn）阻的方式。他既有低通（tōng）濾波器的功能，又有（yǒu）壓敏電阻的功能，還有電阻串聯限流的功（gōng）能（néng）。是（shì）性價比最.好.的防護方式，對於高阻信號可以采用1K電阻+50PF壓敏；對於耳機等音頻輸出信（xìn）號可以采（cǎi）用（yòng）100歐電阻+壓敏電阻；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。雖然電阻小了，低通濾波器效果已經沒有了，但限流作用還是很重要的。

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樣。在信號線上放置尖.端.放（fàng）電點（火花隙）在山寨手機設（shè）計（jì）中也經（jīng）常（cháng）應用。