電路ESD防護設計分析

靜電放電（ESD）理論研究的已經相（xiàng）當成熟，為了模擬分析靜電事件，前人設計（jì）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（chǎng）感應模型（xíng），場增強模型（xíng），機器（qì）模（mó）型和電（diàn）容（róng）耦合模型等。芯片級一般用HBM做測試（shì），而電（diàn）子（zǐ）產（chǎn）品則用IEC 61000-4-2的放電模型做（zuò）測試。為對 ESD 的測試進行統一規範，在工業標（biāo）準方麵，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變衝擊抑（yì）製標準；電子產品（pǐn）必須符合這一標準之後方能銷往（wǎng）歐共體的各個成員國。 因此，大（dà）多數生產廠家都把IEC 61000-4-2看（kàn）作是 ESD 測試（shì）的事實標準。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同（tóng）於IEC 61000-4-2。大多是實驗室用的靜電發生器就是按 IEC 61000-4-2的標準，分為（wéi）接（jiē）觸放電和（hé）空氣放電。放電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭和圓頭（tóu）兩種。

我們從IEC 61000-4-2的靜電放（fàng）電的波形可以（yǐ）看到靜電放電主要電流（liú）是一（yī）個上升沿（yán）在1ns左右的一個上升沿（yán），要（yào）消除這個上升沿要求ESD保護器（qì）件響應時（shí）間要小於這個時間。靜電放電的能量主（zhǔ）要（yào）集中在幾十mhz到500mhz，很（hěn）多時候我們能從頻譜上考慮（lǜ），如濾波器（qì）濾除相應頻帶的能（néng）量來實現靜電防護。

IEC 61000-4-2規定（dìng）了幾個試驗等級，目前（qián）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（gāo）的靜電防護等級（jí）。

當集成電路（IC ）經受靜電放電（ ESD）時，放電回路的（de）電阻通（tōng）常都很小，無法限製放電（diàn）電流。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上時（shí），放電回路的電阻幾乎為（wéi）零，造（zào）成高達數十（shí）安培的瞬間放電尖峰電流，流入相應的 IC 管腳。瞬間大電（diàn）流會嚴重損傷IC ，局部發熱的熱量甚至會融化（huà）矽（guī）片管芯。ESD 對 IC的損傷還包括內部金屬（shǔ）連接被燒斷，鈍化（huà）層（céng）受到破（pò）壞，晶體（tǐ）管單元（yuán）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激（jī）活有關。高電壓可激活這些結構，形成大電流（liú）信道，一般（bān）是（shì）從 VCC 到地。串行接口器件的死鎖（suǒ）電流可高達 1A 。死鎖電流會一直保持，直到器件被斷電。不過到那時，IC 通常早（zǎo）已（yǐ）因過熱而燒毀（huǐ）了。

電路級ESD防護方法（fǎ）

1、並聯（lián）放電器（qì）件（jiàn） 常用的放電器件有（yǒu）TVS，齊納二極（jí）管，壓敏電阻，氣體放電管等。

1.1、齊納二極管（ zener diodes ，也稱穩壓二極管 )：利用齊納二極管的反向擊穿特性可（kě）以保護 ESD 敏（mǐn）感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pf 的電容，這對（duì）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作用。

1.2、瞬變電壓消除器 TVS (transient voltage suppressor)：TVS 是（shì）一種固態（tài）二極管，專門用（yòng）於防（fáng）止 ESD 瞬態電壓破壞（huài）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 結麵積更大，這一結構上（shàng）的（de）改進使 TVS 具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率，因（yīn）而對於保護手持設備低工作電壓（yā）回路的安全具有更好效果。 TVS二極管（guǎn）的瞬態功率和瞬態電流性能與結的麵積（jī）成正比（bǐ）。該二極管的結具有較大（dà）的截麵積，可以處理閃電和（hé） ESD 所引起的高（gāo）瞬態電流。TVS 也會有（yǒu）結（jié）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，使用時（shí）要注意。手機上用的TVS大（dà）約 0.01$，低容值的約2-3分$。

1.3、多（duō）層金屬氧化物結構（gòu）器件 (MLV)：大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也可以進（jìn）行有效的瞬時高壓衝擊（jī）抑製，此類器件具有非線性電壓（yā） - 電流 ( 阻抗表現 ) 關係，截止電壓可達初（chū）中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特（tè）性適合用於對電壓不太敏感的線路和器件（jiàn）的靜（jìng）電或浪湧（yǒng）保護，如電源回路，按鍵輸（shū）入端等。手機用壓敏電阻（zǔ）約0.0015$, 大約（yuē）是TVS價格的（de）1/6，但（dàn）是防護效果沒有TVS好，且壓敏電阻有（yǒu）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（rù）的GPIO，按鍵等。不要擔心0402的電阻會被打壞，實踐證明是打不壞的。這裏不詳細分析。用電阻做ESD防護幾乎（hū）不增加成本。如果用磁（cí）珠，磁珠的價格大約0.002$,和壓敏電阻差不多。

3、增（zēng）加濾波網絡 前麵提到了靜電的能量頻譜，如果用濾波器濾掉（diào）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（pín）輸入可以用1k+1000pf的電容來（lái）做靜電防（fáng）護，成本可以忽略，性能不比壓敏電（diàn）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（gèng）好，經驗（yàn）證明這樣防護效果有時超過TVS。 對於射頻天（tiān）線的微波信號，如（rú）果用TVS管，壓敏等容性器件來做靜電（diàn）防護，射頻信號會被衰減，因此要求TVS的（de）電容很低，這樣增加（jiā）ESD措施的成（chéng）本。對於微波信號可以（yǐ）對地並聯一個幾十nh的電感來為靜電提供一個放電通道（dào），對微波信號幾乎沒有影響，對（duì）於900mhz和1800mhz的手機經常用22nh的電感。這樣能把靜電主要能量頻譜上（shàng）的能量吸收掉很多。

4、複合（hé）防護（hù） 有一種器件叫EMI filter，他有很好的ESD防護效果，EMI filter也有基於TVS管（guǎn）的和基於壓（yā）敏電阻的，前者效果（guǒ）好，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（jì）應用中可以（yǐ）用（yòng）下麵的一個電阻+一個壓敏電阻的方式。他既有低通濾波器的功能，又有壓敏（mǐn）電阻的（de）功能，還有電阻串聯（lián）限流的功能（néng）。是性價比很好的防護方式，對於高（gāo）阻信號可以采用1k電阻+50pf壓敏；對於耳機等音頻輸出信號可以采用100歐電阻+壓敏電（diàn）阻；對於TP信號（hào）串聯電（diàn）阻不能太大否則影響TP的線性，可以采用10歐電阻。雖然電（diàn）阻小了，低通濾（lǜ）波器效果已經沒有了，但限流作用還是很重要的（de）。

5、增加吸收回路 可以在敏感信號（hào）附（fù）件增加（jiā）地的漏銅，來吸收靜電。道理和避雷針原理一樣。在信號線上放置放電（diàn）點（火花隙（xì））在山寨（zhài）手機設計（jì）中也經常應用。