電路ESD防護設計分析

靜電放電（ESD）理論（lùn）研究的已經相當成熟，為了（le）模擬（nǐ）分析靜（jìng）電（diàn）事件（jiàn），前人設計了很多（duō）靜（jìng）電放電（diàn）模型。 常見（jiàn）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（qiáng）模型，機器模型和電容耦合模型等（děng）。芯片級一般用HBM做（zuò）測試，而（ér）電子產品則用IEC 61000-4-2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）準方麵，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變衝擊抑製標準；電子（zǐ）產品必須符合（hé）這（zhè）一標準之後方（fāng）能銷往歐共體的（de）各個（gè）成員國。 因此（cǐ），大多數生產廠家都把IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實標準。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同於IEC 61000-4-2。大多是實驗室用（yòng）的靜電發生（shēng）器就是按 IEC 61000-4-2的標（biāo）準，分為接觸放電和空（kōng）氣放電。放電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭和圓頭兩種。

我們從IEC 61000-4-2的（de）靜電放電的波形可以看到靜電放電主要電流是一個上升沿在（zài）1ns左右的一個上升沿，要消除這個上升沿要求ESD保護器（qì）件響應時間要小於這個時間。靜電放電的能量主要集（jí）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（xiàng）應頻帶的能（néng）量來實（shí）現靜電防護。

IEC 61000-4-2規定了幾個試驗等級，目前手機（jī）CTA測試執行的是3級，即接觸放電6kv，空氣放電8kv。很多手（shǒu）機廠（chǎng）家內部執行更高的靜電防（fáng）護等級。

當集成電路（IC ）經（jīng）受靜（jìng）電放電（diàn）（ ESD）時，放電回路的電阻通常都很小，無法限製放電電（diàn）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（fàng）電尖峰電流，流入相（xiàng）應的 IC 管腳。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（dào）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（sì）可控矽的結構單元被（bèi）激（jī）活有關。高電（diàn）壓可（kě）激活這些結構，形成大電流信道，一般是從 VCC 到地。串（chuàn）行接口器（qì）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 通常早已因過熱而燒毀了。

電路級ESD防護方法

1、並聯放電器件（jiàn） 常用的放電器（qì）件有TVS，齊納二極管，壓（yā）敏（mǐn）電阻，氣體放電管等。

1.1、齊納（nà）二（èr）極管（ zener diodes ，也稱（chēng）穩壓（yā）二（èr）極管 )：利用齊納二（èr）極管的反向擊穿特（tè）性可以保護 ESD 敏感器件。但是齊納二極管通常有（yǒu）幾十 pf 的電容，這對於高速信（xìn）號（hào）（例如 500mhz）而言，會引起信號（hào）畸變。齊納二極管對電源上的浪湧也有很好的吸收（shōu）作用。

1.2、瞬變電壓消除器 TVS (transient voltage suppressor)：TVS 是一種固態二極管（guǎn），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（nà）二極管相比， TVS 二極管 p/n 結麵積（jī）更大（dà），這一結構上的改進使 TVS 具（jù）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（yú）保護（hù）手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。 TVS二極管（guǎn）的瞬態功率和（hé）瞬態（tài）電流性能與結的麵積（jī）成（chéng）正比。該二極管的結具（jù）有較（jiào）大的截麵積（jī），可以處理閃電和 ESD 所引起（qǐ）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（xìng）的（de）和雙極性的，使用時要（yào）注（zhù）意。手機上用的TVS大約 0.01$，低（dī）容值的（de）約2-3分$。

1.3、多層金屬氧化物結構器（qì）件 (MLV)：大陸一般稱為壓（yā）敏電阻。MLV也可以進行有效的瞬時高壓衝擊抑製，此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關（guān）係，截止電（diàn）壓可達（dá）初（chū）中止電壓的 2 ～ 3倍。這（zhè）種特性適合（hé）用於對電壓（yā）不（bú）太敏（mǐn）感的線路和器件的靜電或浪湧保護，如電源回路，按鍵輸入端等。手機用壓敏電阻約（yuē）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（zǔ）來防護，如ADC，輸入的GPIO，按（àn）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（fèn）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（diàn）阻差不多。

3、增加濾波網絡（luò） 前麵提到了靜電（diàn）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的。 對於（yú）低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可（kě）以用1k+1000pf的電容來做靜電防護，成本可以忽略，性能不比壓（yā）敏電阻差，如果（guǒ）用1k+50pf的壓敏電阻（下麵講的複合防（fáng）護措施（shī）），效果更好，經驗證明這樣防護效（xiào）果有（yǒu）時超過TVS。 對於射頻天（tiān）線的微波信號（hào），如果用（yòng）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的電容很低，這樣增加（jiā）ESD措施的成本。對於微波信號可以對地並聯一個（gè）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（hé）1800mhz的（de）手機經常用22nh的電感。這樣能（néng）把靜電（diàn）主要能量頻譜上的（de）能量吸收掉很多。

4、複合（hé）防護 有（yǒu）一種器件叫EMI filter，他有很好的ESD防護效果，EMI filter也有基於TVS管的（de）和基於壓敏電阻的，前者效果好，但很（hěn）貴，後者廉價，一般4路基於壓敏電阻的EMI價（jià）格在（zài）0.02$。 實（shí）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。是性價比很好的防護（hù）方式，對於高阻信號可以采用1k電阻+50pf壓（yā）敏；對於耳機等音頻輸出信號（hào）可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對於TP信號串聯電阻不能太大否（fǒu）則影（yǐng）響TP的線性，可（kě）以采用（yòng）10歐電阻。雖然電阻（zǔ）小了，低通濾波（bō）器效果已經沒有了，但限流作用還是很重要（yào）的。

5、增（zēng）加吸收回路 可以在敏感信號附件（jiàn）增加地的漏銅，來吸收靜（jìng）電。道理（lǐ）和避雷針原（yuán）理一樣。在信號線上放置放電點（火花隙）在山寨手機設計中也經常應用。