电路级静电防护设计技巧与ESD防护方法

常见的静电模型有：人体模型（HBM），带电器件模型，场感应模型，场增强模型，机器模型和电容耦合模型等。
芯片级一样平常用HBM做测试，而电子产品则用IEC 6 1000-4-2的放电模型做测试。

为对 ESD 的测试进行统一规范，在工业标准方面，欧共体的 IEC 61000-4-2 已建立起严格的瞬变冲击抑制标准；电子产品必须符合这一标准之后方能销往欧共体的各个成员国。

因此，大多数生产厂家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 测试的事实标准。
我国的国家标准（GB/T 17626.2-1998）等同于I EC 6 1000-4-2。
大多是实验室用的静电发生器便是按 IEC 6 1000-4-2的标准，分为打仗放电和空气放电。
静电发生器的模型如图 1。
放电头按打仗放电和空气放电分尖头和圆头两种。

IEC 61000-4-2的 静电放电的波形如图2，可以看到静电放电紧张电流是一个上升沿在1nS旁边的一个上升沿，要肃清这个上升沿哀求ESD保护器件相应韶光要小于这个韶光。
静电放电的能量紧张集中在几十MHz到500MHz，很多时候我们能从频谱上考虑，如滤波器滤除相应频带的能量来实现静电防护。
其放电频谱如下，这个图是我自己画的，只能定性的看，不能定量。

IEC 61000-4-2规定了几个试验等级，目前手机CTA测试实行得是3级，即打仗放电6KV，空气放电8KV。
很多手机厂家内部实行更高的静电防护等级。

当集成电路（ IC ）经受静电放电（ ESD）时，放电回路的电阻常日都很小，无法限定放电电流。
例如将带静电的电缆插到电路接口上时，放电回路的电阻险些为零，造成高达数十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的 IC 管脚。
瞬间大电流会严重损伤 IC ，局部发热的热量乃至会融化硅片管芯。
ESD 对 IC的损伤还包括内部金属连接被烧断，钝化层受到毁坏，晶体管单元被烧坏。

ESD 还会引起 IC 的去世锁（ LATCHUP）。
这种效应和 CMOS 器件内部的类似可控硅的构造单元被激活有关。
高电压可激活这些构造，形成大电流信道，一样平常是从 VCC 到地。
串行接口器件的去世锁电流可高达 1A 。
去世锁电流会一贯保持，直到器件被断电。
不过到那时， IC 常日早已因过热而烧毁了。

电路级ESD防护方法

1、并联放电器件

常用的放电器件有TVS，齐纳二极管，压敏电阻，气体放电管等。
如图

1.1、齐纳二极管（ Zener Diodes ，也称稳压二极管 ） ： 利用齐纳二极管的反向击穿特性可以保护 ESD敏感器件。
但是齐纳二极管常日有几十 pF 的电容，这对付高速旗子暗记（例如 500MHz）而言，会引起旗子暗记畸变。
齐纳二极管对电源上的浪涌也有很好的接管浸染。

1.2、瞬变电压肃清器 TVS(Transient Voltage Suppressor)： TVS 是一种固态二极管，专门用于防止 ESD 瞬态电压毁坏敏感的半导体器件。
与传统的齐纳二极管比较， TVS 二极管 P/N 结面积更大，这一构造上的改进使 TVS 具有更强的高压承受能力，同时也降落了电压截止率，因而对付保护手持设备低事情电压回路的安全具有更好效果。

TVS二极管的瞬态功率和瞬态电流性能与结的面积成正比。
该二极管的结具有较大的截面积，可以处理闪电和 ESD所引起的高瞬态电流。
TVS也会有结电容，常日0.3个pF到几十个pF。
TVS有单极性的和双极性的，利用时要把稳。
手机上用的TVS大约0.01$，低容值的约2-3分$。

1.3、多层金属氧化物构造器件 (MLV)：大陆一样平常称为压敏电阻。
MLV也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制，此类器件具有非线性电压 - 电流 ( 阻抗表现 ) 关系，截止电压可达最初中止电压的 2 ～ 3倍。
这种特性适宜用于对电压不太敏感的线路和器件的静电或浪涌保护，如电源回路，按键输入端等。
手机用压敏电阻约0.0015$,大约是TVS价格的1/6，但是防护效果没有TVS好，且压敏电阻有寿命老化。

2、串联阻抗

一样平常可以通过串联电阻或者磁珠来限定ESD放电电流，达到防静电的目的。
如图。
如手机的高输入阻抗的端口可以串1K欧电阻来防护，如ADC，输入的GPIO，按键等。
不要担心0402的电阻会被打碎，实践证明是打不坏的。
这里不详细剖析。
用电阻做ESD防护险些不增加本钱。
如果用磁珠，磁珠的价格大 约0.002$,和压敏电阻差不多。

3、增加滤波网络

前面提到了静电的能量频谱，如果用滤波器滤掉紧张的能量也能达到静电防护的目的。

对付低频旗子暗记，如GPIO输入，ADC，音频输入可以用1k+1000PF的电容来做静电防护，本钱可以忽略，性能不比压敏电阻差，如果用1K+50PF的压敏电阻（下面讲的复合防护方法），效果更好，履历证明这样防护效果有时超过TVS。

对付射频天线的微波旗子暗记，如果用TVS管，压敏等容性器件来做静电防护，射频旗子暗记会被衰减，因此哀求TVS的电容很低，这样增加ESD方法的本钱。
对付微波旗子暗记可以对地并联一个几十nH的电感来为静电供应一个放电通道，对微波旗子暗记险些没有影响，对付900MHZ和1800MHz的手机常常用22nH的电感。
这样能把静电紧张能量频谱上的能量接管掉很多。

4、复合防护

有一种器件叫EMI filter，他有很好的ESD防护效果，如图。
EMI filter也有基于TVS管的和基于压敏电阻的，前者效果好，但很贵，后者廉价，一样平常4路基于压敏电阻的EMI价格在0.02$。

实际运用中可以用下面的一个电阻+一个压敏电阻的办法。
他既有低通滤波器的功能，又有压敏电阻的功能，还有电阻串联限流的功能。
是性价比最好的防护办法，对付高阻旗子暗记可以采取1K电阻+50PF压敏；对付耳机等音频输出旗子暗记可以采取100欧电阻+压敏电阻；对付TP旗子暗记串联电阻不能太大否则影响TP的线性，可以采取10欧电阻。
虽然电阻小了，低通滤波器效果已经没有了，但限流浸染还是很主要的。

5、增加接管回路

可以在敏感旗子暗记附件增加地的漏铜，来接管静电。
道理和避雷针事理一样。
在旗子暗记线上放置尖端放电点（火花隙）在山寨手机设计中也常常运用。