電路級靜電防護設計技巧與ESD防護方法

靜電放電（ESD）理論研究的已經(jīng)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(jiàn)的靜電模型有：人體模型（HBM），帶電器件模型，場(chǎng)感應模型，場(chǎng)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(chǎn)品則用IEC 6 1000-4-2的放電模型做測試。為對 ESD 的測試進(jìn)行統一規范，在工業(yè)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(chǎn)品必須符合這一標準之后方能銷(xiāo)往歐共體的各個(gè)成員國。

因此，大多數生產(chǎn)廠(chǎng)家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實(shí)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(shí)驗室用的靜電發(fā)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。

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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個(gè)上升沿在1nS左右的一個(gè)上升沿，要消除這個(gè)上升沿要求ESD保護器件響應時(shí)間要小于這個(gè)時(shí)間。靜電放電的能量主要集中在幾十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(lái)實(shí)現靜電防護。其放電頻譜如下，這個(gè)圖是我自己畫(huà)的，只能定性的看，不能定量。
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IEC 61000-4-2規定了幾個(gè)試驗等級，目前手機CTA測試執行得是3級，即接觸放電6KV，空氣放電8KV。很多手機廠(chǎng)家內部執行更高的靜電防護等級。
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當集成電路（ IC ）經(jīng)受靜電放電（ ESD）時(shí)，放電回路的電阻通常都很小，無(wú)法限制放電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上時(shí)，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(huì )嚴重損傷 IC ，局部發(fā)熱的熱量甚至會(huì )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(huì )引起 IC 的死鎖（ LATCHUP）。這種效應和 CMOS 器件內部的類(lèi)似可控硅的結構單元被激活有關(guān)。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(huì )一直保持，直到器件被斷電。不過(guò)到那時(shí)， IC 通常早已因過(guò)熱而燒毀了。
電路級ESD防護方法

1、并聯(lián)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。如圖
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1.1、齊納二極管（ Zener Diodes ，也稱(chēng)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(huì )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(tài)二極管，專(zhuān)門(mén)用于防止 ESD 瞬態(tài)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(jìn)使 TVS 具有更強的高壓承受能力，同時(shí)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**具有更好效果。
TVS二極管的瞬態(tài)功率和瞬態(tài)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(tài)電流。TVS也會(huì )有結電容，通常0.3個(gè)pF到幾十個(gè)pF。TVS有單極性的和雙極性的，使用時(shí)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(chēng)為壓敏電阻。MLV也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類(lèi)器件具有非線(xiàn)性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關(guān)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(xiàn)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(jià)格的1/6，但是防護效果沒(méi)有TVS好，且壓敏電阻有壽命老化。

2、串聯(lián)阻抗

一般可以通過(guò)串聯(lián)電阻或者磁珠來(lái)限制ESD放電電流，達到防靜電的目的。如圖。如手機的高輸入阻抗的端口可以串1K歐電阻來(lái)防護，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔心0402的電阻會(huì )被打壞，實(shí)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(jià)格大 約0.002$,和壓敏電阻差不多。
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3、增加濾波網(wǎng)絡(luò )

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(lái)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(jīng)驗證明這樣防護效果有時(shí)超過(guò)TVS。
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對于射頻天線(xiàn)的微波信號，如果用TVS管，壓敏等容性器件來(lái)做靜電防護，射頻信號會(huì )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(lián)一個(gè)幾十nH的電感來(lái)為靜電提供一個(gè)放電通道，對微波信號幾乎沒(méi)有影響，對于900MHZ和1800MHz的手機經(jīng)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。
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4、復合防護

有一種器件叫EMI filter，他有很好的ESD防護效果，如圖。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(jià)，一般4路基于壓敏電阻的EMI價(jià)格在0.02$。
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實(shí)際應用中可以用下面的一個(gè)電阻+一個(gè)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(lián)限流的功能。是性?xún)r(jià)比*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(lián)電阻不能太大否則影響TP的線(xiàn)性，可以采用10歐電阻。雖然電阻小了，低通濾波器效果已經(jīng)沒(méi)有了，但限流作用還是很重要的。
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5、增加吸收回路

可以在敏感信號附件增加地的漏銅，來(lái)吸收靜電。道理和避雷針原理一樣。在信號線(xiàn)上放置尖  端放電點(diǎn)（火花隙）在山寨手機設計中也經(jīng)常應用。