電路ESD防護(hù)設(shè)計(jì)分析

靜電放電（ESD）理論研究的已經(jīng)相當(dāng)成熟，為了模擬分析靜電事件，前人設(shè)計(jì)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(chǎng)感應(yīng)模型，場(chǎng)增強(qiáng)模型，機(jī)器模型和電容耦合模型等。芯片級(jí)一般用HBM做測(cè)試，而電子產(chǎn)品則用IEC 61000-4-2的放電模型做測(cè)試。為對(duì) ESD 的測(cè)試進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴(yán)格的瞬變沖擊抑制標(biāo)準(zhǔn)；電子產(chǎn)品必須符合這一標(biāo)準(zhǔn)之后方能銷往歐共體的各個(gè)成員國(guó)。 因此，大多數(shù)生產(chǎn)廠家都把IEC 61000-4-2看作是 ESD 測(cè)試的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 17626.2-1998）等同于IEC 61000-4-2。大多是實(shí)驗(yàn)室用的靜電發(fā)生器就是按 IEC 61000-4-2的標(biāo)準(zhǔn)，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(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(hù)器件響應(yīng)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(yīng)頻帶的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)。

IEC 61000-4-2規(guī)定了幾個(gè)試驗(yàn)等級(jí)，目前手機(jī)CTA測(cè)試執(zhí)行的是3級(jí)，即接觸放電6kv，空氣放電8kv。很多手機(jī)廠家內(nèi)部執(zhí)行更高的靜電防護(hù)等級(jí)。

當(dāng)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(dá)數(shù)十安培的瞬間放電尖峰電流，流入相應(yīng)的 IC 管腳。瞬間大電流會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷IC ，局部發(fā)熱的熱量甚至?xí)诨杵苄尽SD 對(duì) IC的損傷還包括內(nèi)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(yīng)和 CMOS 器件內(nèi)部的類似可控硅的結(jié)構(gòu)單元被激活有關(guān)。高電壓可激活這些結(jié)構(gòu)，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(dá) 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(jí)ESD防護(hù)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。

1.1、齊納二極管（ zener diodes ，也稱穩(wěn)壓二極管 )：利用齊納二極管的反向擊穿特性可以保護(hù) ESD 敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pf 的電容，這對(duì)于高速信號(hào)（例如 500mhz）而言，會(huì)引起信號(hào)畸變。齊納二極管對(duì)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，專門用于防止 ESD 瞬態(tài)電壓破壞敏感的半導(dǎo)體器件。與傳統(tǒng)的齊納二極管相比， TVS 二極管 p/n 結(jié)面積更大，這一結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使 TVS 具有更強(qiáng)的高壓承受能力，同時(shí)也降低了電壓截止率，因而對(duì)于保護(hù)手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。 TVS二極管的瞬態(tài)功率和瞬態(tài)電流性能與結(jié)的面積成正比。該二極管的結(jié)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(jié)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(jī)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(jié)構(gòu)器件 (MLV)：大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現(xiàn) ) 關(guān)系，截止電壓可達(dá)初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用于對(duì)電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪涌保護(hù)，如電源回路，按鍵輸入端等。手機(jī)用壓敏電阻約0.0015$, 大約是TVS價(jià)格的1/6，但是防護(hù)效果沒有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(dá)到防靜電的目的。如手機(jī)的高輸入阻抗的端口可以串1k歐電阻來(lái)防護(hù)，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔(dān)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(xì)分析。用電阻做ESD防護(hù)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。

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(dá)到靜電防護(hù)的目的。 對(duì)于低頻信號(hào)，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以用1k+1000pf的電容來(lái)做靜電防護(hù)，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(fù)合防護(hù)措施），效果更好，經(jīng)驗(yàn)證明這樣防護(hù)效果有時(shí)超過(guò)TVS。 對(duì)于射頻天線的微波信號(hào)，如果用TVS管，壓敏等容性器件來(lái)做靜電防護(hù)，射頻信號(hào)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(duì)于微波信號(hào)可以對(duì)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(duì)微波信號(hào)幾乎沒有影響，對(duì)于900mhz和1800mhz的手機(jī)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。

4、復(fù)合防護(hù) 有一種器件叫EMI filter，他有很好的ESD防護(hù)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(jià)，一般4路基于壓敏電阻的EMI價(jià)格在0.02$。 實(shí)際應(yīng)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。是性價(jià)比很好的防護(hù)方式，對(duì)于高阻信號(hào)可以采用1k電阻+50pf壓敏；對(duì)于耳機(jī)等音頻輸出信號(hào)可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對(duì)于TP信號(hào)串聯(lián)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(jīng)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(hào)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(hào)線上放置放電點(diǎn)（火花隙）在山寨手機(jī)設(shè)計(jì)中也經(jīng)常應(yīng)用。