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(yong)1K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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