一文搞定电子设计的静电放电（ESD）问题

人类认识静电放电（ESD）的心途经程

顾名思义，静电便是静止不动的电荷。

金属的外层电子随意马虎丢失，这些从原子内跑出来的电子叫做“自由电子”，以是金属随意马虎导电。
绝缘体内的电子受到原子核的束缚，不随意马虎成为自由电子，以是它不随意马虎导电。
但是利用高强度的电力浸染、高温等方法可以使一部分电子摆脱原子核的束缚，成为自由电子，于是绝缘体变成了导体。

人类对静电放电（ESD）的危害的认识经历了一段漫长的历史。
电子行业认识到静电放电（ESD）的危害只是最近几十年。

电子行业对 ESD 认识的发展过程

静电放电（ESD）的机理

静电放电（Electrostatic Discharge，ESD），指处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移便是静电放电。
这种转移的办法紧张是两各类办法：打仗放电和空气放电。

一样平常来说，静电只有在发生静电放电时，才会对元器件造成侵害和损伤。
如人体带电时只有打仗金属物体、或与他人握手时才会有电击的觉得。
对电子元器件来说，静电放电（ESD）是广义的过电应力（EOS）的一种。

广义的过电应力（Electrical Over Stress，EOS）是指元器件承受的电流或电压应力超过其许可的最大范围。
下表是三种过电应力征象的特点比较：

静电导致的元器件失落效的机理紧张有过电压场致失落效和过电流热致失落效，过电压场致失落效多发生于MOS 器件，过电流热致失落效则多发生于双极器件。

过电流热致失落效是由于静电放电电流过局部区域，温升超过材料的熔点，导致材料发生局部熔融使元器件失落效，影响过流失落效的紧张成分是功率密度。
静电放电形成的是短时大电流，放电脉冲的韶光常数远小于器件散热的韶光常数。
因此，当静电放电电流利过面积很小的 pn 结或肖特基结时，将产生很大的瞬间功率密度，形成局部过热，有可能使局部结温达到乃至超过材料的本征温度(如硅的熔点 1415℃)，使结区局部或多处熔化导致 pn 结短路，器件彻底失落效。
其余，在集成电路中，静电形成的脉冲电流还有可能使寄生的器件导通，产生各种不肯望的效应。

据行业数据统计表明，静电导致的元器件失落效之中，10%是突发性失落效，90%是潜在性失落效。
突发性失落效的意思是，静电导致元器件急速失落效；潜在性失落效是指元器件没有急速失落效，但是元器件已经“受伤”，元器件将带伤事情。

静电放电（ESD）的解析

定性乃至定量地剖析一件事物，须要对其进行阐发已经建立模型。
电子元器件的ESD模型紧张有三大模型，分别是带电人体的放电模式（HBM）、带电机器的放电模式(MM)和充电器件的放电模式（CDM）。

1）带电人体的放电模式 (HBM，Human Body Model)

下图带电人体打仗放电的模型，Vp 带静电的人体与地的电位差，Cp 带静电的人体与地之间的电容量，一样平常为 50-250pF；Rp 人体与被放电体之间的电阻值，一样平常为 102-105。
人体与被放电体之间的放电有两种,即打仗放电和空气放电。

打仗放电时，人体与被放电之间的电阻值是个恒定值。
空气放电时，在人体与被放电体之间有一定间隔时，它们之间空间的电场强度大于其介质（如空气）的介电强度，介质电离产生电弧放电，暗场中可见弧光。
电弧放电的特点是在放电的初始阶段，由于空气是不良导体，放电通道的阻抗较高，放电电流较小；随着放电的进行，通道温度升高，引起局部电离，通道阻抗逐渐降落，电流增大，直至达到一个峰值；然后，随着人体静电能量的开释，电流逐渐减少，直至电弧消逝。

2）带电机器的放电模式（MM，Machine Model）

带电机器的放电的模型

机器由于摩擦或感应带电，带电机器通过电子元器件放电造成损伤。
上图所示的机器放电的模型（MM），与人体模式(HBM)比较，机器没有电阻，电容则相对要大。

3）充电器件的放电模型 (CDM,Charged-Device Model)

充电器件的放电模型

在元器件装置、通报、试验、测试、运输和储存的过程中由于壳体与其它材料磨擦，壳体会带静电。
一旦元器件引出腿接地时，壳体将通过芯体和引出腿对地放电。
这种形式的放电可用所谓带电器件模型(CDM)来描述。

静电放电（ESD）的保护

在产品研发和生产过程中总是会涌现一些IC破坏的征象，要想找出这些IC破坏的根本缘故原由并不总是很随意马虎。
有些偶发性的破坏很难被重现，这时的难度就会更大。
有些时候IC的失落效表现切实其实便是灾害性的，可能被烧得一塌糊涂，对这样的状况进行剖析就像要在完备烧成断垣残壁的屋子里找出失火的缘故原由一样，险些便是不可能的事情。

ESD作为EOS的特例，事宜持续韶光极短、可见性不强、破坏位置不易被创造，由ESD导致的“创面”很细微，以是直至70年代后期，电子扫描显微镜的第一次运用才导致ESD的打破，之前由ESD导致的破坏都被认定为缘故原由不明。

1）电源芯片内部的ESD保护

电源输入端VIN被一个很大的ESD单元保护着，其保护范围包括内部稳压器和MOSFET，因而可以承受很高的静电电压。
SW端子内部常日没有ESD单元，由于大型MOSFET本身就可以像ESD保护单元一样动作，静电电流可经其体二极管流向GND或VIN端，也可利用它们的击穿特性实现保护。
BOOT端有一个ESD单元处于它和SW之间，其它小旗子暗记端子也各有一个小型的ESD单元，它们常日都和输入串联电阻一起保护这些小旗子暗记端子免受静电放电的危害。

电源芯片内部的ESD保护

在电源IC中，用于保护IC端子的ESD元件的动作电压介于器件的击穿电压和绝对最高事情电压之间，这样可避免它们在正常事情期间被触发。

芯片管脚的ESD保护的动作电压设计

2) 电源热插入期间导致的输入端过应力

电源热插入期间导致的输入端过应力破坏

由于电源线存在着感量，热插入时，与陶瓷电容发生谐振，由于MLCC的ESR较小，以是振铃的幅度会比较大，甚至超过芯片的绝对耐压，导致损毁。

3) USB输出端短路测试造成USB开关输入端损毁

USB输出真个短路测试

在针对USB输出真个短路测试时，当输出发生短路时，芯片的对策是快速关闭MOSFET开关。
但是，MOSFET关断的过程有时延，瞬间有大电流流过芯片。
此刻，输入走线的电感(L)与输入真个电容(C)可能发生谐振，与上一案例一样，高压振荡可能会导致芯片损毁。
以是，在实行芯片的输出短路测试时，同时须要关注和丈量输入真个电压环境。

防静电保护元器件

ESD器件的选型原则是，ESD元件的动作电压介于被保护器件的绝对最高电压和击穿电压之间，既起到保护浸染又可以避免误动作。

ESD二极管是常用的ESD保护器件，在选择ESD二极管的时候，除了关注其动作电压及阈值之外，关注极间电容也十分主要，特殊是针对高速旗子暗记的运用。

其余，电容实际上是最常用而且是最廉价的ESD保护器件。
不是所有的电容都可以防护ESD的，比如常规的陶瓷电容。
陶瓷电容的特性是容值随着施加的直流电压的增加而低落。
我们知道静电测试的电压非常高，达几千伏。
以是，静电一旦施加于常规的陶瓷电容上，电容值急剧低落，以是起不了防护浸染。
专门的ESD电容，可以在很宽泛的直流电压范围内坚持电容值的稳定，从而接管静电的电压峰值，达到ESD防护的浸染。

普通电容与ESD电容的DC Bias特性比拟

静电放电（ESD）的学问太深，我们相信通过一篇文章，你一定不会透彻地成为办理静电放电（ESD）的好手，但这篇文章绝对是你入门的基石。

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