ESD靜電保護方法介紹

ESD可能引起的問題

1、當集成電路（ IC ）經受靜電放電（ ESD）時，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，放電回路的電阻幾乎為零，造成高達數十安培的瞬間放電尖峰電流，流入相應的 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硅片管芯。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。

2、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硅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

幾種ESD靜電保護方法介紹

1、并聯放電器件

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.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，這對于高速信號（例如 500MHz）而言，會引起信號畸變。齊納二極管對電源上的浪涌也有很好的吸收作用。

2.瞬變電壓消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor)：TVS 是一種固態二極管，專門用于防止 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 結面積更大，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，因而對于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面積成正比。該二極管的結具有較大的截面積，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。

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沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關系，截止電壓可達最初中止電壓的 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，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制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。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到靜電防護的目的。

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，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，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。

對于微波信號可以對地并聯一個幾十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，對于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、復合防護

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

實際應用中可以用下面的一個電阻+一個壓敏電阻的方式。他既有低通濾波器的功能，又有壓敏電阻的功能，還有電阻串聯限流的功能。是性價比最好的防護方式，對于高阻信號可以采用1K電阻+50PF壓敏；

對于耳機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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