電路級靜（jìng）電防護（hù）設計技（jì）巧與（yǔ）ESD防護方法

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

常（cháng）見的靜電（diàn）模型有：人體模（mó）型（xíng）（HBM），帶電器件模型，場感應模型，場增強模型，機器（qì）模型和電容耦合模型等。芯片級一般用HBM做測試，而電子（zǐ）產品則用IEC 6 1000-4-2的放（fàng）電模型做測試（shì）。為對 ESD 的測試進行統一規範，在工業標準方麵，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變衝擊抑製標準；電子產品必須符合這一標準（zhǔn）之後方能銷往歐共體的（de）各個成（chéng）員國。

因此，大多數（shù）生產廠家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實標準（zhǔn）。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同於IEC 61000-4-2。大（dà）多（duō）是實驗室用的靜（jìng）電發生（shēng）器（qì）就是按 IEC 61000-4-2的標準，分為接觸放電和空氣放電。放電頭按接觸放電和空氣放電（diàn）分尖頭和圓頭兩種。

IEC 61000-4-2的 靜電放電的波形如圖2，可以看到靜電放電主要電流是一（yī）個上升沿在1nS左右的一個上（shàng）升沿，要（yào）消除這個（gè）上升（shēng）沿要求ESD保護器件響應時間（jiān）要（yào）小於這個時間。靜電放電的能量主要集中在幾十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能量來實現靜電防護。其放電頻譜如下，這個圖是我自己畫的，隻能（néng）定性的看，不能定量。

IEC 61000-4-2規定了幾個試驗等級，目前手機CTA測試執行（háng）得是3級，即接觸放電（diàn）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（chéng）電路（ IC ）經受靜電（diàn）放電（ ESD）時，放電回路的電阻通常都很小，無法限（xiàn）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瞬間放（fàng）電尖峰電流，流入相（xiàng）應的（de） IC 管腳。瞬（shùn）間大電（diàn）流會嚴（yán）重損傷 IC ，局部發（fā）熱的（de）熱量甚至會融化矽片管（guǎn）芯。ESD 對 IC的（de）損傷（shāng）還包括（kuò）內部金屬連（lián）接被燒斷，鈍化層受到（dào）破壞，晶體管（guǎn）單元被燒壞。

ESD 還會引起 IC 的死鎖（ LATCHUP）。這種效應和 CMOS 器件內部的類似可控矽（guī）的（de）結構單元（yuán）被激活有關。高電壓可（kě）激活這些結構，形成大電流信道，一般是從 VCC 到（dào）地。串行接口器件的（de）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 通常早已（yǐ）因過熱而燒毀了。

電路級ESD防護（hù）方法

 1、並聯放電器件

 常用的放電器（qì）件有tvs，齊（qí）納二極管，壓敏電阻，氣體放（fàng）電（diàn）管等。如圖

1.1、齊（qí）納二極管（ Zener Diodes ，也（yě）稱穩壓二極管 ） ：利用齊納二極管的反向擊穿特性可以保護 ESD敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pF 的（de）電容，這對於高速信（xìn）號（例（lì）如 500MHz）而言，會引起信號畸變。齊納二極管對電（diàn）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（guǎn），專門用於防止 ESD 瞬態電壓破壞敏感的（de）半導體器件。與傳統的齊納（nà）二極管相比， TVS 二極管 P/N 結麵積更大，這一結構上的（de）改進使 TVS 具有更強的高壓承受能力（lì），同時也降低了電壓截止（zhǐ）率，因而對於保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好（hǎo）效果（guǒ）。

TVS二極管的瞬態功率和瞬態電流（liú）性能與結的麵積成正（zhèng）比。該（gāi）二極管的結具有較大的截麵積，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（róng），通（tōng）常0.3個（gè）pF到（dào）幾（jǐ）十個pF。TVS有單極性的（de）和（hé）雙極性的（de），使用時要注意。手（shǒu）機上用（yòng）的TVS大約（yuē）0.01$，低容值的約2-3分$。

1.3、多層金屬氧化物結構器件（jiàn） (MLV)：大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也可以（yǐ）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（zǔ）抗表現 ) 關係，截止（zhǐ）電壓（yā）可達初中止電壓的（de） 2 ～ 3倍。這種特性適（shì）合用於對電壓不（bú）太敏感的線路（lù）和器件的靜（jìng）電或浪湧（yǒng）保護，如電源回路，按鍵輸入端等。手機用壓敏電阻約0.0015$,大（dà）約是（shì）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（jìng）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GPIO，按鍵等。不要擔心0402的電（diàn）阻會被打壞，實踐證明是打不（bú）壞的。這裏不詳細分（fèn）析（xī）。用電阻做ESD防護（hù）幾乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的價格大（dà） 約0.002$,和壓敏電阻差不多。

 3、增（zēng）加濾波網（wǎng）絡

前麵提到了靜電（diàn）的能量（liàng）頻（pín）譜，如果用濾波器濾掉主要（yào）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，音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來（lái）做靜電防護，成（chéng）本可以忽（hū）略，性能不比壓敏電阻差，如果用1K+50PF的壓敏電阻（zǔ）（下麵講的複合防護措施），效果更（gèng）好，經驗證明這樣防護（hù）效果有時超過TVS。

對於射頻天線的微波信號，如果用TVS管，壓敏等容性器（qì）件（jiàn）來做靜電防護，射頻信號會被衰減（jiǎn），因此要求TVS的電容很低，這樣（yàng）增加ESD措施的成本。對於微波信（xìn）號可（kě）以對地並聯一（yī）個幾十nH的電感來為靜電提供一個放電通道，對微（wēi）波（bō）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（néng）把靜電主要能量頻譜上的能（néng）量吸收掉很多。

 4、複合防護

 有一種器（qì）件叫EMI filter，他有很好（hǎo）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，但很貴，後者廉價，一般4路基於壓敏電阻的EMI價格在（zài）0.02$。

實際應用（yòng）中可以用下麵的一個電阻+一個壓敏電阻的（de）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（jià）比（bǐ）.好.的防護（hù）方式，對（duì）於高阻信號可以采用1K電阻+50PF壓敏；對於耳機（jī）等（děng）音頻輸（shū）出信號可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對於TP信號串聯電阻不能太大（dà）否則影響TP的線性，可以采用（yòng）10歐電（diàn）阻。雖（suī）然電（diàn）阻小了，低通濾波器效果已經沒有了，但限流作用還是很重要的。

 5、增加吸收（shōu）回路

 可以在敏感信號附件增加地的漏銅（tóng），來吸收（shōu）靜電。道理和（hé）避雷針原（yuán）理（lǐ）一樣。在信號線上放置放電點（火花隙）在山寨手機設計（jì）中也經常應用（yòng）。