一文看懂5种ESD防护方法

时间：2020-04-08

作者：深圳市辰仪科技有限公司

静电放电（ESD）理论研究的已经相当成熟，为了模拟分析静电事件，前人设计了很多静电放电模型。
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。芯片级一般用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就是按 IEC 6 1000-4-2的标准，分为接触放电和空气放电。静电发生器的模型如图 1。放电头按接触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，可以看到静电放电主要电流是一个上升沿在1nS左右的一个上升沿，要消除这个上升沿要求ESD保护器件响应时间要小于这个时间。静电放电的能量主要集中在几十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测试执行得是3级，即接触放电6KV，空气放电8KV。很多手机厂家内部执行更高的静电防护等级。
当集成电路（ IC ）经受静电放电（ ESD）时，放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流。例如将带静电的电缆插到电路接口上时，放电回路的电阻几乎为零，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 ，局部发热的热量甚至会融化硅片管芯。ESD 对 IC的损伤还包括内部金属连接被烧断，钝化层受到破坏，晶体管单元被烧坏。
ESD 还会引起 IC 的死锁（ LATCHUP）。这种效应和 CMOS 器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关。高电压可激活这些结构，形成大电流信道，一般是从 VCC 到地。串行接口器件的死锁电流可高达 1A 。死锁电流会一直保持，直到器件被断电。不过到那时， IC 通常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。但是齐纳二极管通常有几十 pF 的电容，这对于高速信号（例如 500MHz）而言，会引起信号畸变。齐纳二极管对电源上的浪涌也有很好的吸收作用。
1.2、瞬变电压消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor)：TVS 是一种固态二极管，专门用于防止 ESD 瞬态电压破坏敏感的半导体器件。与传统的齐纳二极管相比， TVS 二极管 P/N 结面积更大，这一结构上的改进使 TVS 具有更强的高压承受能力，同时也降低了电压截止率，因而对于保护手持设备低工作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，通常0.3个pF到几十个pF。TVS有单极性的和双极性的，使用时要注意。手机上用的TVS大约0.01$，低容值的约2-3分$。
1.3、多层金属氧化物结构器件 (MLV)：大陆一般称为压敏电阻。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，截止电压可达较初中止电压的 2 ～ 3倍。这种特性适合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$,大约是TVS价格的1/6，但是防护效果没有TVS好，且压敏电阻有寿命老化。
2、串联阻抗
一般可以通过串联电阻或者磁珠来限制ESD放电电流，达到防静电的目的。如图。如手机的高输入阻抗的端口可以串1K欧电阻来防护，如ADC，输入的GPIO，按键等。不要担心0402的电阻会被打坏，实践证明是打不坏的。这里不详细分析。用电阻做ESD防护几乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的价格大约0.002$,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，如果用滤波器滤掉主要的能量也能达到静电防护的目的。
对于低频信号，如GPIO输入，ADC，音频输入可以用1k+1000PF的电容来做静电防护，成本可以忽略，性能不比压敏电阻差，如果用1K+50PF的压敏电阻（下面讲的复合防护措施），效果更好，经验证明这样防护效果有时过TVS。
对于射频天线的微波信号，如果用TVS管，压敏等容性器件来做静电防护，射频信号会被衰减，因此要求TVS的电容很低，这样增加ESD措施的成本。对于微波信号可以对地并联一个几十nH的电感来为静电提供一个放电通道，对微波信号几乎没有影响，对于900MHZ和1800MHz的手机经常用22nH的电感。这样能把静电主要能量频谱上的能量吸收掉很多。
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，一般4路基于压敏电阻的EMI价格在0.02$。
实际应用中可以用下面的一个电阻+一个压敏电阻的方式。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。是性价比较好的防护方式，对于高阻信号可以采用1K电阻+50PF压敏；对于耳机等音频输出信号可以采用100欧电阻+压敏电阻；对于TP信号串联电阻不能太大否则影响TP的线性，可以采用10欧电阻。虽然电阻小了，低通滤波器效果已经没有了，但限流作用还是很重要的。
5、增加吸收回路
可以在敏感信号附件增加地的漏铜，来吸收静电。道理和避雷针原理一样。在信号线上放置尖端放电点（火花隙）在手机设计中也经常应用。

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