ESD防護方法與電路級靜電防護（hù）設計技巧

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

常見的靜電模型有（yǒu）：人體模型（HBM），帶（dài）電器件模型，場感應模型，場增強模型，機器模（mó）型和電容耦合模型等。芯（xīn）片級一般用HBM做測（cè）試，而電子產（chǎn）品則用IEC 6 1000-4-2的放電模型做測試。為對 ESD 的測（cè）試進行統一規（guī）範，在工業標準方麵，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格（gé）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（fāng）能銷往歐共體的各個（gè）成員國。

因此，大多數生產廠家都把（bǎ） IEC 61000-4-2看作是 ESD 測（cè）試的事實標準。我國的（de）國家標準（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的標準，分為接觸（chù）放電和空氣放電。靜電發生器的（de）模型如圖 1。 放電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭（tóu）和圓頭兩種。

IEC 61000-4-2的 靜（jìng）電（diàn）放電的波形如圖2，可（kě）以看到靜電放電主要電流是一個上升沿在1nS左（zuǒ）右（yòu）的一個上升沿，要消除（chú）這個上（shàng）升沿要求ESD保護器件（jiàn）響應時間要小於這個時間。靜（jìng）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，如濾波器濾除相應頻帶的能量來實現（xiàn）靜電防護。其放電頻譜如下，這個圖是我自己畫的，隻（zhī）能定性的看，不能定量。

IEC 61000-4-2規定了幾個（gè）試驗（yàn）等級，目前手機CTA測試執（zhí）行得是3級，即接觸（chù）放電6KV，空氣放電8KV。很多手機廠家內部執行（háng）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（diàn）阻通常都很小，無法限製（zhì）放（fàng）電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上（shàng）時，放電回路的電阻幾乎為零，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矽片（piàn）管芯。ESD 對 IC的損傷還包括內部金屬連接被燒斷，鈍化層受到破壞，晶體管單元被燒壞。

ESD 還（hái）會引（yǐn）起 IC 的（de）死鎖（ LATCHUP）。這種效應和（hé） CMOS 器件內部（bù）的類（lèi）似（sì）可控矽的結構單元被激活有關。高電壓可激活這些結構（gòu），形成大電流（liú）信道，一般是（shì）從 VCC 到地。串行接口器件的死鎖電流可高達 1A 。死鎖電流會一直保持，直到器件被斷電。不過到那時， IC 通（tōng）常早已因過熱（rè）而燒毀了（le）。

電路級ESD防護方法

常用的（de）放電器件有TVS，齊納二極管（guǎn），壓敏電阻，氣體放電管等。如圖

1.1、齊納（nà）二極管（ Zener Diodes ，也稱穩壓二極（jí）管 ） ： 利用齊納二極管的反（fǎn）向擊（jī）穿特（tè）性可以保（bǎo）護 ESD敏感器件。但是（shì）齊納二極管通常有幾十 pF 的電容，這（zhè）對於高速信號（例如 500MHz）而言，會引起信號畸變。齊納二（èr）極（jí）管對電源上的浪湧也（yě）有很好的吸收作用。

1.2、瞬變電壓消除器（qì） 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（gǎn）的半（bàn）導體（tǐ）器件。與傳統的齊納二極管相比， TVS 二極管 P/N 結麵積更大，這一結構上的改進使 TVS 具有更強的高壓承受（shòu）能力，同時也降低了電壓截止率，因而對於保護手持設備低工（gōng）作（zuò）電壓回路的安全具有更好效果。

TVS二極管的瞬態功（gōng）率和瞬態電流性（xìng）能與結（jié）的麵積成正比。該二（èr）極管（guǎn）的結具有較大的（de）截麵積，可以（yǐ）處理閃電和 ESD所引（yǐn）起的高瞬態電流。TVS也（yě）會有結（jié）電容，通（tōng）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（yuē）0.01$，低容（róng）值（zhí）的約（yuē）2-3分$。

1.3、多層金屬氧化物結構器件 (MLV)：大陸一般稱（chēng）為壓敏電阻。MLV也可以進行有效（xiào）的瞬時高（gāo）壓衝擊抑製，此類器件（jiàn）具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表（biǎo）現 ) 關係，截止電（diàn）壓可達最初中止電壓的（de） 2 ～ 3倍。這種特性（xìng）適合用於對電壓不太（tài）敏（mǐn）感的線路和器（qì）件的靜電或浪湧保護，如電源回路，按鍵輸入端等。手（shǒu）機用壓敏電（diàn）阻約0.0015$,大約是TVS價格的1/6，但是防護效果沒（méi）有TVS好，且壓（yā）敏電阻有壽命（mìng）老（lǎo）化。

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（fáng）靜電的目的。如圖。如手機的高輸入阻抗的端口可以串1K歐電阻來防護，如ADC，輸入的（de）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（lǐ）不詳細分析。用電（diàn）阻做ESD防護幾乎不（bú）增加成（chéng）本。如果用磁珠，磁珠的價格大（dà） 約0.002$,和壓敏電阻差不多。

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

對（duì）於低頻（pín）信號，如（rú）GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護，成本可以忽略，性能不比（bǐ）壓敏電阻差，如果用1K+50PF的壓敏電阻（下麵講的複合防護措施（shī）），效果更（gèng）好，經（jīng）驗證明（míng）這樣防護（hù）效果有時超過TVS。

對於射頻天線的微波信號，如果（guǒ）用TVS管，壓敏等容性器件來（lái）做靜電（diàn）防護（hù），射頻（pín）信號（hào）會被衰減，因此（cǐ）要求TVS的電容很低，這樣增加ESD措施的成（chéng）本。對於微波信號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，對微波信（xìn）號幾（jǐ）乎沒（méi）有影響，對於900MHZ和1800MHz的手機經常用22nH的電感。這樣（yàng）能把靜電主要能量頻譜上（shàng）的能量吸收掉（diào）很多。

有一（yī）種器件叫EMI filter，他有很好的（de）ESD防護（hù）效果（guǒ），如圖。EMI filter也有基於TVS管的和基於壓敏電阻的，前者效果好，但很貴，後者廉價，一般4路基於（yú）壓敏電阻的EMI價格（gé）在0.02$。

實（shí）際應用中可（kě）以用下麵的（de）一個電（diàn）阻+一個壓敏電阻的方式。他（tā）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（gōng）能。是性價比（bǐ）ZUI（）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（děng）音頻（pín）輸出信號可以采用100歐（ōu）電阻+壓敏（mǐn）電阻（zǔ）；對於TP信號串聯（lián）電（diàn）阻不能太大否則影響TP的線性，可以采用10歐電阻。雖然電阻小了，低通濾（lǜ）波器（qì）效（xiào）果已（yǐ）經（jīng）沒（méi）有（yǒu）了，但限流作用還是很重要的。

可以在敏感信號附件增加地的漏（lòu）銅，來吸收靜電。道理（lǐ）和避雷針原理一（yī）樣。在信號線上放置尖（）端放電點（火花隙）在山寨手機設計中也經常應用。