電路ESD防護設計分析

靜電放電（ESD）理論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，場增強模型，機器模型和電容耦合模型等。芯片級一般用HBM做測試，而電子產品則用IEC 61000-4-2的放電模型做測試。為對 ESD 的測試進行統一規范，在工業標準方面，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變沖擊抑制標準；電子產品必須符合這一標準之后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 ESD 測試的事實標準。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同于IEC 61000-4-2。大多是實驗室用的靜電發生器就是按 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分尖頭和圓頭兩種。

我們從IEC 61000-4-2的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1ns左右的一個上升沿，要消除這個上升沿要求ESD保護器件響應時間要小于這個時間。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。

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

當集成電路（IC ）經受靜電放電（ ESD）時，放電回路的電阻通常都很小，無法限制放電電流。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電尖峰電流，流入相應的 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硅片管芯。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 器件內部的類似可控硅的結構單元被激活有關。高電壓可激活這些結構，形成大電流信道，一般是從 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 通常早已因過熱而燒毀了。

電路級ESD防護方法

1、并聯放電器件 常用的放電器件有TVS，齊納二極管，壓敏電阻，氣體放電管等。

1.1、齊納二極管（ zener diodes ，也稱穩壓二極管 )：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 的電容，這對于高速信號（例如 500mhz）而言，會引起信號畸變。齊納二極管對電源上的浪涌也有很好的吸收作用。

1.2、瞬變電壓消除器 TVS (transient voltage suppressor)：TVS 是一種固態二極管，專門用于防止 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 結面積更大，這一結構上的改進使 TVS 具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率，因而對于保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。 TVS二極管的瞬態功率和瞬態電流性能與結的面積成正比。該二極管的結具有較大的截面積，可以處理閃電和 ESD 所引起的高瞬態電流。TVS 也會有結電容，通常0.3個pf到幾十個 pf。TVS有單極性的和雙極性的，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、多層金屬氧化物結構器件 (MLV)：大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也可以進行有效的瞬時高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關系，截止電壓可達初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪涌保護，如電源回路，按鍵輸入端等。手機用壓敏電阻約0.0015$, 大約是TVS價格的1/6，但是防護效果沒有TVS好，且壓敏電阻有壽命老化。

2、串聯阻抗 一般可以通過串聯電阻或者磁珠來限制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歐電阻來防護，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔心0402的電阻會被打壞，實踐證明是打不壞的。這里不詳細分析。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$,和壓敏電阻差不多。

3、增加濾波網絡 前面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的。 對于低頻信號，如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，性能不比壓敏電阻差，如果用1k+50pf的壓敏電阻（下面講的復合防護措施），效果更好，經驗證明這樣防護效果有時超過TVS。 對于射頻天線的微波信號，如果用TVS管，壓敏等容性器件來做靜電防護，射頻信號會被衰減，因此要求TVS的電容很低，這樣增加ESD措施的成本。對于微波信號可以對地并聯一個幾十nh的電感來為靜電提供一個放電通道，對微波信號幾乎沒有影響，對于900mhz和1800mhz的手機經常用22nh的電感。這樣能把靜電主要能量頻譜上的能量吸收掉很多。

4、復合防護 有一種器件叫EMI filter，他有很好的ESD防護效果，EMI filter也有基于TVS管的和基于壓敏電阻的，前者效果好，但很貴，后者廉價，一般4路基于壓敏電阻的EMI價格在0.02$。 實際應用中可以用下面的一個電阻+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能。是性價比很好的防護方式，對于高阻信號可以采用1k電阻+50pf壓敏；對于耳機等音頻輸出信號可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對于TP信號串聯電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、增加吸收回路 可以在敏感信號附件增加地的漏銅，來吸收靜電。道理和避雷針原理一樣。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。