靜電防護設計技巧與ESD防護（hù）

靜電放電（ESD）理論研究的已經相當成熟，為了模（mó）擬分（fèn）析（xī）靜電事（shì）件，前人設計了很多靜電放電模型。

常見的靜電模型有：人體模型（HBM），帶電器件模型，場感應模型，場增強模（mó）型，機器模（mó）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（cè）試。為對 ESD 的測（cè）試進行統一規（guī）範，在工業標準（zhǔn）方麵（miàn），歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴（yán）格的瞬變衝擊抑製標（biāo）準；電子產品（pǐn）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，大多數生產廠（chǎng）家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測（cè）試的事實標準。我國（guó）的國家標（biāo）準（GB/T 17626.2-1998）等同於I EC 6 1000-4-2。大多是實（shí）驗室用的靜電發生器就是按 IEC 6 1000-4-2的標準（zhǔn），分為接觸放電和空氣放電。靜電發生器的模型如圖 1。 放（fàng）電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭和（hé）圓頭兩種。

IEC 61000-4-2的（de） 靜電放電的波形如圖2，可以看到靜電放電主要電（diàn）流是一個（gè）上（shàng）升沿在1nS左右的一個上升沿，要消除這（zhè）個上升沿要求ESD保護器件響應時間要（yào）小於這個時間。靜電放電（diàn）的能量主要集中在幾十（shí）MHz到500MHz，很多時（shí）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（fàng）電頻譜如下，這個圖是（shì）我自己畫的，隻能（néng）定性的（de）看，不能定（dìng）量。

IEC 61000-4-2規定了幾個試驗等（děng）級，目前（qián）手機CTA測試執行（háng）得是3級，即接觸放（fàng）電6KV，空氣放電8KV。很多手機廠家內部執行更高的靜（jìng）電防護等級。

當集成（chéng）電路（ IC ）經受靜電放電（ ESD）時，放（fàng）電回（huí）路的電阻通常都很（hěn）小，無法限製放電電流。例如將帶靜電（diàn）的（de）電纜插到電（diàn）路接口上時，放電（diàn）回路的電阻幾乎為（wéi）零，造成（chéng）高達數（shù）十安培的（de）瞬間放電尖（jiān）峰電流，流入相應的 IC 管腳（jiǎo）。瞬間大電流會嚴重損傷 IC ，局部發（fā）熱的（de）熱量甚至會融化矽片（piàn）管芯（xīn）。ESD 對 IC的損傷還包括內部（bù）金（jīn）屬（shǔ）連接被燒斷，鈍化層受到（dào）破壞（huài），晶體管單元被燒壞。

ESD 還會引起 IC 的死鎖（ LATCHUP）。這（zhè）種效應（yīng）和 CMOS 器件內部的類似可控矽的結（jié）構單元被激（jī）活（huó）有關。高（gāo）電壓可激活（huó）這些結構，形成大電流信道（dào），一般是從 VCC 到地。串行接口器件的死鎖電流（liú）可高達 1A 。死（sǐ）鎖電流會（huì）一直保持，直到器件被斷電。不過（guò）到那時， IC 通常（cháng）早已因過熱而燒毀了。

電路級ESD防護方法

常用（yòng）的放電器件有（yǒu）TVS，齊納二極管，壓敏（mǐn）電阻，氣體放電（diàn）管等。如圖

1.1、齊納二極管（ Zener Diodes ，也稱（chēng）穩壓二極管 ） ： 利用（yòng）齊納二極管的（de）反向（xiàng）擊穿特性（xìng）可以保護 ESD敏感（gǎn）器件。但是齊納二極管通常有幾十 pF 的電容，這對於（yú）高（gāo）速信號（例如 500MHz）而言，會引起信號畸變。齊納二極管對電（diàn）源上的浪（làng）湧也有很（hěn）好的吸收作用。

1.2、瞬（shùn）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，這一結構上的改（gǎi）進使 TVS 具有更強的高壓承受能力（lì），同時也降低（dī）了電壓截止率，因而對於保護手持設備低工作電壓（yā）回路的安全具（jù）有更好效果。

TVS二（èr）極管的瞬態功率和瞬態電流性能（néng）與結的麵積成正（zhèng）比。該二極管的結具有較大的截麵積，可以處理（lǐ）閃電和 ESD所（suǒ）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（hé）雙極性的，使用時（shí）要（yào）注（zhù）意。手機上用的TVS大約（yuē）0.01$，低容值的約2-3分$。

1.3、多層金（jīn）屬氧化物結構器件 (MLV)：大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也可以（yǐ）進行（háng）有效的瞬時高壓（yā）衝（chōng）擊抑（yì）製，此類器件具有（yǒu）非線（xiàn）性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關係，截（jié）止電壓可（kě）達最初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種（zhǒng）特性適合用（yòng）於對電壓不太敏感的線路和器件的（de）靜電或浪湧保護，如（rú）電源回（huí）路，按鍵輸入端等。手（shǒu）機用壓敏電阻約0.0015$,大約是TVS價格的1/6，但是防護效果沒有TVS好，且壓敏電阻有壽命（mìng）老化。

一般可以通（tōng）過串聯電阻或者磁珠（zhū）來限（xiàn）製ESD放電電流，達（dá）到防靜（jìng）電的目的。如圖。如手機的高輸入阻抗的端口可以串（chuàn）1K歐電阻來防護，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔心（xīn）0402的電阻會被打壞，實踐證明（míng）是打（dǎ）不壞的。這裏（lǐ）不詳細分析。用電阻做（zuò）ESD防護幾乎（hū）不增加成（chéng）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的電容來做靜電防護，成本（běn）可以忽略，性能（néng）不比壓敏電阻（zǔ）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（yàn）證明這樣（yàng）防護效果有時超過TVS。

對於射頻天線的微波信號，如果用TVS管，壓敏等容性器件來做靜（jìng）電防護，射頻信號會被衰（shuāi）減，因（yīn）此要求TVS的（de）電容很低，這樣增加ESD措施的成本。對於（yú）微波信（xìn）號可（kě）以對地並聯一個幾十nH的（de）電（diàn）感來為靜電提（tí）供（gòng）一個（gè）放電通道，對微波（bō）信號幾乎沒有影響（xiǎng），對於900MHZ和1800MHz的手機經常用22nH的電（diàn）感。這樣（yàng）能把靜電主要能量頻譜（pǔ）上的能量（liàng）吸收掉很多。

有一種器件叫EMI filter，他有很好的ESD防護效果（guǒ），如圖。EMI filter也有基於TVS管（guǎn）的和基於壓敏電阻的（de），前者效果好，但很貴，後者廉（lián）價，一般4路基於壓敏電阻的EMI價格（gé）在0.02$。

實際應用中可以用下麵的一個電阻+一個壓敏電阻的方式。他既有低通（tōng）濾波（bō）器的功能，又有（yǒu）壓敏電阻的功能，還有電阻串聯限流的功能。是性價比最.好（hǎo）.的防護方式，對於高阻信號可以采用（yòng）1K電阻+50PF壓敏；對於耳機等音頻（pín）輸出信號可以采用100歐（ōu）電阻+壓敏電（diàn）阻；對於TP信號串聯電（diàn）阻不能太大否則影響TP的（de）線性，可以采用（yòng）10歐電阻。雖然電阻（zǔ）小（xiǎo）了，低通濾（lǜ）波器效（xiào）果（guǒ）已經沒有了，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銅，來吸收靜電（diàn）。道理和避雷針原理一樣。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。