靜電放電（ESD）理論研究的已經相當成熟，為了模擬分析靜電事件，前人設計了很多靜電放電模型。

 

因此，大多數生產廠家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實標準。我國的國家標準（GB/T 17626.2-1998）等同於I EC 6 1000-4-2。大多是實驗室用的靜電發生器就是按 IEC 6 1000-4-2的標準，分為接觸放電和空氣放電。靜電發生器的模型如圖 1。 放電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭和圓頭兩種。

 

 

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上升沿在1nS左右的一個上升沿，要消除這個上升沿要求ESD保護器件響應時間要小於這個時間。靜電放電的能量主要集中在幾十MHz到500MHz，很多時候我們能從頻譜上考慮，如濾波器濾除相應頻帶的能量來實現靜電防護。其放電頻譜如下
，這個圖是我自己畫的
，隻能定性的看
，不能定量。

 

 

IEC 61000-4-2規定了幾個試驗等級
，目前手機CTA測試執行得是3級
，即接觸放電6KV，空氣放電8KV。很多手機廠家內部執行更高的靜電防護等級。

 

 

當集成電路（ IC ）經受靜電放電（ ESD）時(shi)，放(fang)電(dian)回(hui)路(lu)的(de)電(dian)阻(zu)通(tong)常(chang)都(dou)很(hen)小(xiao)，無(wu)法(fa)限(xian)製(zhi)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)。例(li)如(ru)將(jiang)帶(dai)靜(jing)電(dian)的(de)電(dian)纜(lan)插(cha)到(dao)電(dian)路(lu)接(jie)口(kou)上(shang)時(shi)
，放(fang)電(dian)回(hui)路(lu)的(de)電(dian)阻(zu)幾(ji)乎(hu)為(wei)零(ling)，造(zao)成(cheng)高(gao)達(da)數(shu)十(shi)安(an)培(pei)的(de)瞬(shun)間(jian)放(fang)電(dian)尖(jian)峰(feng)電(dian)流(liu)，流(liu)入(ru)相(xiang)應(ying)的(de) IC 管腳。瞬間大電流會嚴重損傷 IC ，局部發熱的熱量甚至會融化矽片管芯。 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 還會引起 IC 的死鎖（ LATCHUP）。這種效應和 CMOS 器件內部的類似可控矽的結構單元被激活有關。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 。死鎖電流會一直保持
，直到器件被斷電。不過到那時

， IC 通常早已因過熱而燒毀了。

 

電路級ESD防護方法

 

1
、並聯放電器件

 

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

 

 

1.1、齊納二極管（ Zener Diodes ，也稱穩壓二極管 ） ： 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，這對於高速信號（例如 500MHz）而言

，會引起信號畸變。齊納二極管對電源上的浪湧也有很好的吸收作用。

 

1.2、瞬變電壓消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor)： TVS 是一種固態二極管
，專門用於防止 ESD 瞬態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 結麵積更大，這一結構上的改進使 TVS 具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率
，因而對於保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。

 

TVS二極管的瞬態功率和瞬態電流性能與結的麵積成正比。該二極管的結具有較大的截麵積，可以處理閃電和 ESD所引起的高瞬態電流。TVS也會有結電容，通常0.3個pF到幾十個pF。TVS有單極性的和雙極性的
，使用時要注意。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)：大陸一般稱為壓敏電阻。 MLV也可以進行有效的瞬時高壓衝擊抑製
，此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關係
，截止電壓可達最初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用於對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪湧保護，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價格的1/6，但是防護效果沒有TVS好，且壓敏電阻有壽命老化。

 

2
、串聯阻抗

 

一般可以通過串聯電阻或者磁珠來限製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歐電阻來防護，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔心0402的電阻會被打壞，實踐證明是打不壞的。這裏不詳細分析。用電阻做ESD防護幾乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的價格大 約0.002$,和壓敏電阻差不多。

 

 

3

、增加濾波網絡

 

前麵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。

 

對於低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護，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（下麵講的複合防護措施）
，效果更好，經驗證明這樣防護效果有時超過TVS。

 

 

對於射頻天線的微波信號，如果用TVS管，壓敏等容性器件來做靜電防護，射頻信號會被衰減，因此要求TVS的電容很低，這樣增加ESD措施的成本。對於微波信號可以對地並聯一個幾十nH的電感來為靜電提供一個放電通道，對微波信號幾乎沒有影響
，對於900MHZ和1800MHz的手機經常用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、複合防護

 

有一種器件叫EMI filter
，他有很好的ESD防護效果，如圖。EMI filter也有基於TVS管的和基於壓敏電阻的，前者效果好
，但很貴，後者廉價，一般4路基於壓敏電阻的EMI價格在0.02$。

 

 

實際應用中可以用下麵的一個電阻+一yi個ge壓ya敏min電dian阻zu的de方fang式shi。他ta既ji有you低di通tong濾lv波bo器qi的de功gong能neng，又you有you壓ya敏min電dian阻zu的de功gong能neng
，還hai有you電dian阻zu串chuan聯lian限xian流liu的de功gong能neng。是shi性xing價jia比bi最zui好hao的de防fang護hu方fang式shi
，對dui於yu高gao阻zu信xin號hao可ke以yi采cai用yong1K電阻+50PF壓敏
；對於耳機等音頻輸出信號可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對於TP信號串聯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

 

可以在敏感信號附件增加地的漏銅

，來吸收靜電。道理和避雷針原理一樣。在信號線上放置尖端放電點（火花隙）在山寨手機設計中也經常應用。

 

 

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