電路級靜（jìng）電防護設計技巧與ESD防護方法

靜電放電（ESD）理論研（yán）究的已經相當（dāng）成熟，為（wéi）了模擬分析靜電事（shì）件，前（qián）人設計（jì）了很多靜電放電模型。

常見的靜電（diàn）模型有：人體模型（HBM），帶電器（qì）件模型，場（chǎng）感應模型，場增強模（mó）型（xíng），機器模型和電（diàn）容耦合模型等。芯片級一般用HBM做（zuò）測試，而電（diàn）子產品則用IEC 6 1000-4-2的放電模型做測試。為對 ESD 的測試進行統一規範，在工業標（biāo）準方（fāng）麵，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變（biàn）衝擊抑製標準；電子產（chǎn）品必須（xū）符合這一標（biāo）準之後方能銷往歐共體的各個成員國。

因此，大多數生產廠家都把 IEC 61000-4-2看作是（shì） ESD 測試的事實標（biāo）準。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同於IEC 61000-4-2。大多是實（shí）驗室用的（de）靜電發生器就是按 IEC 61000-4-2的標準，分為接（jiē）觸放電和空氣放電。放電頭按接觸放（fàng）電和空氣放電分尖頭和圓頭兩種。

IEC 61000-4-2的 靜電（diàn）放電的波形如圖2，可（kě）以看到靜電（diàn）放（fàng）電主要電流是一（yī）個上升（shēng）沿（yán）在1nS左右的一個上（shàng）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間。靜電放電的能量（liàng）主要（yào）集中在幾十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（de）能量來實現靜電防護。其放電（diàn）頻譜如（rú）下，這個圖是（shì）我自己畫的，隻能定性的看，不能定量。

IEC 61000-4-2規定了幾個試驗等級（jí），目前手機CTA測試執行得是3級，即接觸放電6KV，空氣放電8KV。很多手機廠家內部執行（háng）更高（gāo）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（diàn）阻通（tōng）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（de）瞬間放電（diàn）尖峰電流，流入相應的 IC 管腳。瞬間大電流會嚴（yán）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燒斷，鈍化（huà）層受到（dào）破壞，晶（jīng）體（tǐ）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（de）類似可控矽的結構單元（yuán）被激活有關。高（gāo）電壓（yā）可激活這（zhè）些結構，形成大（dà）電流信道，一般（bān）是從 VCC 到地。串（chuàn）行（háng）接（jiē）口器件的死鎖電流可高達 1A 。死鎖電流會一直保持（chí），直到器件被斷電。不過到那時， IC 通常早已因過熱而燒毀了。

電路級ESD防（fáng）護方法

 1、並聯放電器件

 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（ Zener Diodes ，也稱穩壓二極管 ） ：利用齊納二（èr）極管的（de）反向（xiàng）擊（jī）穿（chuān）特性可以保護 ESD敏感器件。但是齊納二極管通常有（yǒu）幾十（shí） pF 的電容，這對於高速信號（例如 500MHz）而言，會引起信號畸變。齊納二（èr）極管對電源上的浪湧也有（yǒu）很好的吸收作用。

1.2、瞬變電壓消除器 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（èr）極管相比， TVS 二極（jí）管 P/N 結麵積更大，這一結構上的改（gǎi）進（jìn）使 TVS 具有更強的高（gāo）壓承受能力（lì），同時也降低了電壓截止率，因而對於保護手持設備低（dī）工（gōng）作（zuò）電壓回路的安全具有更好效果。

TVS二極管的瞬態功率和（hé）瞬態電流性能（néng）與結的麵積成正比。該二極管的結具（jù）有較大的截麵積，可以處理閃電和 ESD所（suǒ）引起的高瞬態電流。TVS也會有結電容（róng），通常0.3個pF到幾十個pF。TVS有（yǒu）單極性的和雙極性（xìng）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（céng）金屬氧（yǎng）化物結構器件 (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（xiàn）性電壓 - 電流 ( 阻抗表現（xiàn） ) 關係，截止電壓可達（dá）初中止電壓（yā）的 2 ～ 3倍。這（zhè）種特性適合用於對（duì）電壓不太敏（mǐn）感的線路和器件的靜（jìng）電（diàn）或浪湧保護，如電源（yuán）回路，按鍵輸入端等。手機用壓敏（mǐn）電（diàn）阻約0.0015$,大（dà）約是TVS價（jià）格（gé）的1/6，但是防護效果沒有（yǒu）TVS好，且壓敏電阻有壽（shòu）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。如手機的高輸入阻抗的端口可以（yǐ）串1K歐電阻來防護，如ADC，輸（shū）入的GPIO，按鍵等。不（bú）要擔心0402的電阻會被打壞，實踐證明是打不壞的（de）。這裏不詳細分析。用電阻做ESD防護幾乎不增加成（chéng）本。如果用磁珠，磁珠的價格大 約（yuē）0.002$,和壓敏電阻差（chà）不多。

 3、增加濾波網絡

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

對（duì）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（zuò）靜電防護，成本（běn）可以忽略，性能不比（bǐ）壓敏（mǐn）電阻差，如果用1K+50PF的壓敏電阻（下麵講的複合防護措施），效果更好，經驗證明這樣防護效果有時（shí）超過TVS。

對於射頻天線的微波（bō）信號，如果用TVS管，壓敏等容性器（qì）件來做靜電防護，射頻信號會（huì）被衰減，因此要求TVS的電（diàn）容很低，這樣增加ESD措施的成本。對於微（wēi）波信號（hào）可以對地並聯一個幾十nH的電感來為靜電提供一個放電通道，對（duì）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。這樣能把靜電主要能量（liàng）頻譜上的能量吸收掉很多。

 4、複合防護

 有一種器件（jiàn）叫EMI filter，他有很好的ESD防護效果，如圖。EMI filter也有基於TVS管的和基於壓敏電阻的，前者效果好，但很（hěn）貴，後者（zhě）廉價，一般4路基於壓敏電（diàn）阻的EMI價格在0.02$。

實際應用中可以用下麵的一個電阻（zǔ）+一個壓敏電阻的方式。他既有（yǒu）低通濾波器的功能，又有壓（yā）敏電阻的功能，還有電阻串聯限流的功（gōng）能。是性價比.好.的防護（hù）方式，對於高阻信號可以采用（yòng）1K電阻+50PF壓敏；對（duì）於耳機等音頻（pín）輸出（chū）信號可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對於TP信號串聯（lián）電阻不能太大否則影響（xiǎng）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（guǒ）已經沒（méi）有了，但限流作（zuò）用還是很重要的。

 5、增加吸收回路

 可（kě）以（yǐ）在敏感信（xìn）號附件（jiàn）增加地的漏銅（tóng），來吸收（shōu）靜電。道理和避雷（léi）針原理一（yī）樣（yàng）。在信號（hào）線上放置（zhì）放電點（火花隙）在山寨手機設計中也經常應用。