电路级静电防护设计技巧与ESD防护方法

静电放电（ESD）为了模拟静电事件的分析，前人设计了许多静电放电模型。

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。一般使用芯片级HBM测试，电子产品用IEC61000-4-2的放电模型做测试。为对ESD在工业标准方面，欧体在工业标准方面IEC61000-4-2建立了严格的瞬变冲击抑制标准；电子产品必须符合这一标准，才能销往欧洲共产党各成员国。

因此，大多数制造商都把IEC61000-4-2看作是ESD事实标准的测试。我国国家标准（GB/T17626.2-1998）等同于IEC61000-4-2。实验室使用的静电发生器大多是按压的IEC61000-4-2的标准分为接触放电和空气放电。静电发生器的模型如图所示1。根据接触放电和空气放电，放电头分为尖头和圆头。

IEC61000-4-2的静电放电的波形如图2所示，静电放电的主要电流是沿1上升的nS左右上升沿，消除上升沿要求ESD该时间应小于保护装置的响应时间。静电放电的能量主要集中在几十个MHz到500MHz，很多时候，我们可以考虑频谱，比如过滤器过滤相应频带的能量来实现静电保护。放电频谱如下，这张图是我自己画的，只能定性看，不能定量。

IEC61000-4-2规定了几个试验等级，目前手机CTA3级测试，即接触放电6KV，空气放电8KV。许多手机制造商在内部实施静电保护水平。

当集成电路（IC）静电放电（ESD）放电电路的电阻通常很小，不能限制放电电流。例如，当静电电缆插入电路接口时，放电电路的电阻几乎为零，导致高达数十个安培的瞬时放电峰值电流流流入相应的IC管脚。瞬间，大电流会严重损坏IC，局部加热的热量甚至会融化硅芯。ESD对IC损坏还包括内部金属连接连接，损坏钝化层，烧毁晶体管单元。

ESD还会引起IC的死锁（LATCHUP）。这种效应和CMOS类似装置内类似可控硅的结构单元。高压可以激活这些结构，形成大电流通道VCC到地。串行接口器件的死锁电流高达1A。在设备断电之前，将始终保持死锁电流。但到那时，IC通常是因为过热而烧毁的。

电路级ESD防护方法

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。如图所示

1.齐纳二极管（ Zener Diodes ，又称稳压二极管 ）：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对于高速信号(如500MHz）它会导致信号畸变。齐纳二极管也能很好地吸收电源上的浪涌。

1.2.瞬变电压消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor)：TVS专门用于预防固态二极管ESD敏感的半导体器件被瞬态电压破坏。与传统的齐纳二极管相比，TVS二极管P/N这种结构的改进使结构面积更大TVS它具有较强的高压承载能力，但也降低了电压截止率，因此对保护手持设备低工作电压电路的安全有更好的效果。

TVS二极管的瞬态功率和瞬态电流性能与结的面积成正比。二极管结截面积大，可处理闪电和ESD高瞬态电流。TVS也会有结电容，通常0.3个pF到几十个pF。TVS如果有单极性和双极性，使用时要注意。用在手机上。TVS大约0.01$，低容值约2-3分$。

1.3.多层金属氧化物结构器件 (MLV)：大陆通常被称为压敏电阻。MLV它还可以有效地抑制瞬时高压冲击，具有非线性电压-电流(阻抗表现)关系，截止电压可达到初始停止电压2～3倍。该功能适用于静电或浪涌保护，对电压不敏感，如电源电路、按键输入端等。手机的压敏电阻约为0.0015$,大约是TVS价格为1/6，但保护效果不好TVS而且压敏电阻有寿命老化。

2、串联阻抗

串联电阻或磁珠一般可以限制ESD放电电流达到防静电的目的。如图。例如，手机的高输入阻抗端口可以串1K保护欧电阻，如ADC，输入的GPIO，按键等。不要担心0402的电阻会被破坏，实践证明它不会被破坏。这里不详细分析。用电阻做ESD保护几乎不会增加成本。如果使用磁珠，磁珠的价格很高约0.002$,类似于压敏电阻。

3.增加滤波网络

上述静电能量频谱，如果用滤波器面提到了静电能量频谱。

对于低频信号，如GPIO输入，ADC，可使用1个音频输入k 1000PF静电保护的电容器，成本可以忽略，性能不比压敏电阻差如果使用1K 50PF压敏电阻(以下复合防护措施)效果更好。经验证明，这种防护效果有时超过TVS。

如果使用射频天线的微波信号TVS静电保护用于管道、压敏等容性设备，射频信号会衰减，因此需要TVS电容很低，所以增加ESD措施的成本。对于微波信号，地并联几十个nH电感为静电提供放电通道，对微波信号影响不大，对9000MHZ和1800MHz手机常用22nH的电感。这可以吸收静电主要能量频谱上的大量能量。

4、复合防护

有一种装置叫做EMIfilter，他有很好的ESD如图所示。EMIfilter也有基于TVS管道和基于压敏电阻的管道，前者效果好，但很贵，后者便宜，一般4路基于压敏电阻EMI价格在0.02$。

以下电阻可用于实际应用中 压敏电阻的方法。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。它是保护性价比最好的方法，可以使用1个高阻信号K电阻 50PF压敏；100欧电阻可用于耳机等音频输出信号 压敏电阻；对TP信号串联电阻不能太大，否则会影响TP10欧电阻可用于线性。虽然电阻小，低通滤波器效果消失，但限流仍然很重要。

5.增加吸收回路

可在敏感信号附件中添加漏铜，以吸收静电。原理与避雷针原理相同。山寨手机设计中经常使用尖端放电点（火花间隙）。