--->靜電放電波形和能量頻譜

靜電放電（ESD）理論研究的已經(jīng)相當(dāng)成熟，為了模擬分析靜電事件，前人設(shè)計(jì)了很多靜電放電模型。

常見的靜電模型有：人體模型（HBM），帶電器件模型，場感應(yīng)模型，場增強(qiáng)模型，機(jī)器模型和電容耦合模型等。芯片級一般用HBM做測試，而電子產(chǎn)品則用IEC 61000-4-2的放電模型做測試。為對 ESD 的測試進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴(yán)格的瞬變沖擊抑制標(biāo)準(zhǔn)；電子產(chǎn)品必須符合這一標(biāo)準(zhǔn)之后方能銷往歐共體的各個(gè)成員國。因此，大多數(shù)生產(chǎn)廠家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。我國的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 17626.2-1998）等同于IEC 61000-4-2。大多是實(shí)驗(yàn)室用的靜電發(fā)生器就是按 IEC 61000-4-2的標(biāo)準(zhǔn)，分為接觸放電和空氣放電。靜電發(fā)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(gè)上升沿在1nS左右的一個(gè)上升沿，要消除這個(gè)上升沿要求ESD保護(hù)器件響應(yīng)時(shí)間要小于這個(gè)時(shí)間。靜電放電的能量主要集中在幾十MHz到500MHz，很多時(shí)候我們能從頻譜上考慮，如濾波器濾除相應(yīng)頻帶的能量來實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)。其放電頻譜如下。（由于這個(gè)圖是個(gè)人手畫的，只能定性的看，不能定量）

IEC 61000-4-2規(guī)定了幾個(gè)試驗(yàn)等級，目前手機(jī)CTA測試執(zhí)行的是3級，即接觸放電6KV，空氣放電8KV。很多手機(jī)廠家內(nèi)部執(zhí)行更高的靜電防護(hù)等級。

當(dāng)集成電路（ IC ）經(jīng)受靜電放電（ ESD）時(shí)，放電回路的電阻通常都很小，無法限制放電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上時(shí)，放電回路的電阻幾乎為零，造成高達(dá)數(shù)十安培的瞬間放電尖峰電流，流入相應(yīng)的 IC 管腳。瞬間大電流會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷 IC ，局部發(fā)熱的熱量甚至?xí)诨杵苄?。ESD 對 IC的損傷還包括內(nèi)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(huì)引起 IC 的死鎖（ LATCHUP）。這種效應(yīng)和 CMOS 器件內(nèi)部的類似可控硅的結(jié)構(gòu)單元被激活有關(guān)。高電壓可激活這些結(jié)構(gòu)，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(dá) 1A 。死鎖電流會(huì)一直保持，直到器件被斷電。不過到那時(shí)，IC 通常早已因過熱而燒毀了。

--->電路級ESD防護(hù)方法

01

并聯(lián)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(wěn)壓二極管 ） 。利用齊納二極管的反向擊穿特性可以保護(hù) ESD敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pF 的電容，這對于高速信號（例如 500MHz）而言，會(huì)引起信號畸變。齊納二極管對電源上的浪涌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(tài)二極管，專門用于防止 ESD 瞬態(tài)電壓破壞敏感的半導(dǎo)體器件。與傳統(tǒng)的齊納二極管相比， TVS 二極管 P/N 結(jié)面積更大，這一結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使 TVS 具有更強(qiáng)的高壓承受能力，同時(shí)也降低了電壓截止率，因而對于保護(hù)手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。

TVS二極管的瞬態(tài)功率和瞬態(tài)電流性能與結(jié)的面積成正比。該二極管的結(jié)具有較大的截面積，可以處理閃電和 ESD所引起的高瞬態(tài)電流。TVS也會(huì)有結(jié)電容，通常0.3個(gè)pF到幾十個(gè)pF。TVS有單極性的和雙極性的，使用時(shí)要注意。手機(jī)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(jié)構(gòu)器件 (MLV)，大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現(xiàn) ) 關(guān)系，截止電壓可達(dá)最初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪涌保護(hù)，如電源回路，按鍵輸入端等。手機(jī)用壓敏電阻約0.0015$,大約是TVS價(jià)格的1/6，但是防護(hù)效果沒有TVS好，且壓敏電阻有壽命老化。

02

串聯(lián)阻抗

一般可以通過串聯(lián)電阻或者磁珠來限制ESD放電電流，達(dá)到防靜電的目的。如圖。如手機(jī)的高輸入阻抗的端口可以串1K歐電阻來防護(hù)，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔(dān)心0402的電阻會(huì)被打壞，實(shí)踐證明是打不壞的。這里不詳細(xì)分析。用電阻做ESD防護(hù)幾乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的價(jià)格大 約0.002$,和壓敏電阻差不多。

03

增加濾波網(wǎng)絡(luò)

前面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(dá)到靜電防護(hù)的目的。

對于低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護(hù)，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（下面講的復(fù)合防護(hù)措施），效果更好，經(jīng)驗(yàn)證明這樣防護(hù)效果有時(shí)超過TVS。 

對于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(hù)，射頻信號會(huì)被衰減，因此要求TVS的電容很低，這樣增加ESD措施的成本。對于微波信號可以對地并聯(lián)一個(gè)幾十nH的電感來為靜電提供一個(gè)放電通道，對微波信號幾乎沒有影響，對于900MHZ和1800MHz的手機(jī)經(jīng)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。

04

復(fù)合防護(hù)

有一種器件叫EMI filter，他有很好的ESD防護(hù)效果，如圖。EMI filter也有基于TVS管的和基于壓敏電阻的，前者效果好，但很貴，后者廉價(jià)，一般4路基于壓敏電阻的EMI價(jià)格在0.02$。

實(shí)際應(yīng)用中可以用下面的一個(gè)電阻+一個(gè)壓敏電阻的方式。他既有低通濾波器的功能，又有壓敏電阻的功能，還有電阻串聯(lián)限流的功能。是性價(jià)比最好的防護(hù)方式，對于高阻信號可以采用1K電阻+50PF壓敏；對于耳機(jī)等音頻輸出信號可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對于TP信號串聯(lián)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(jīng)沒有了，但限流作用還是很重要的。 

05

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(diǎn)（火花隙）在山寨手機(jī)設(shè)計(jì)中也經(jīng)常應(yīng)用。

翻蓋機(jī)受話器上TVS管或壓敏電阻應(yīng)該放在哪？

很多人理解靜電防護(hù)器件在layout時(shí)要靠近端口擺放，翻蓋機(jī)或者滑蓋機(jī)受話器（receiver，rec）上的TVS或壓敏電阻要放在上板靠近rec的地方。其實(shí)不然，請看下面分析。

這是一個(gè)翻蓋機(jī)或者滑蓋機(jī)，的等效電路，TVS在上板，主IC在主板，中間用比較長的FPC連接。rec是個(gè)線圈，不怕靜電，怕靜電的是IC。

中間的電感分別是FPC上地網(wǎng)絡(luò)和信號線的等效電感。當(dāng)靜電打在rec上時(shí)，由于TVS的鉗位作用和等效電容存在，靜電放電瞬時(shí)REC信號線上的電壓Ub和小板的電壓Ug可以看成相等的，靜電荷要從FPC的地網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移一部分到主板的地上，這時(shí)會(huì)在主板的地和小板的地之間產(chǎn)生一個(gè)壓差Ug-0=Ug。對于信號線如果是高阻狀態(tài)，即使FPC存在更大的等效電感，但是因?yàn)楦咦杩共粫?huì)產(chǎn)生電流，Ua和Ub可以看成是一致的，這樣Ua=Ub=Ug，也就是芯片端和地之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓差，這個(gè)壓差幾乎等于放電瞬間小板地合主板地的電壓差，這個(gè)電壓差如果很大會(huì)使IC損壞。電壓差大小取決于ESD放電的等級和FPC地上的等效阻抗和電感。如果是非高阻信號會(huì)有一點(diǎn)電流，電流大了芯片也就壞了。這樣也可以近似看成Ua=Ub=Ug。因此TVS或壓敏電阻放在上板如果靜電達(dá)到rec上會(huì)有問題。

假如靜電打在小板的地上，由于TVS或壓敏的鉗位和等效電容，同樣Ub=Ug。由于FPC的地上等效電感存在，Ug和主板地會(huì)存在壓差。信號線上沒有電流Ua=Ub=Ug。Ua加在芯片端口上會(huì)打壞芯片。

假如靜電打在主板地上，主板地上電荷部分會(huì)往小板地轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生電流，電流在FPC地等效電感上產(chǎn)生電壓，同樣會(huì)在主板地和小板地之間的電壓會(huì)直接加在芯片兩端燒壞芯片。

如果TVS或壓敏電阻加在主板上，如圖由于TVS或壓敏的鉗位作用，Ua和地之間電壓不會(huì)太高起到保護(hù)芯片的作用。靜電放在rec上，電流傳導(dǎo)到主板上被TVS吸收掉，電荷打在小板地和主板地上都和信號線沒有關(guān)系。

靜電防護(hù)器件應(yīng)該放在哪？

rec情況如此，其他信號線電源也如此。

上面分析的是用FPC連接兩個(gè)板的情況，其實(shí)即使一塊板子地上也會(huì)有阻抗的存在，這么看靜電防護(hù)器件靠近芯片越近越好，即保護(hù)誰就靠近誰。特別是沒有完整地層的板子。

但有個(gè)問題如果靠近芯片在端口到TVS這段走線會(huì)存在大的放電電流和電壓，這樣會(huì)干擾到與其相鄰的為保護(hù)的信號線。鑒于手機(jī)主板有完整地層，地上等效阻抗比較小，建議把靜電防護(hù)器件放在主板的接口處，但不能放在小板，按鍵板等上面。

| 本文轉(zhuǎn)載自公眾號《電磁兼容EMC》