ESD可能引起的問題 幾種ESD靜電保護(hù)方法介紹

ESD可能引起的問題

1、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(duì) 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。

2、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

幾種ESD靜電保護(hù)方法介紹

1、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.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(duì)于高速信號(hào)（例如 500MHz）而言，會(huì)引起信號(hào)畸變。齊納二極管對(duì)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(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(duì)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。

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(duì)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。

2、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。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。

3、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(duì)于低頻信號(hào)，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(duì)于射頻天線的微波信號(hào)，如果用TVS管，壓敏等容性器件來做靜電防護(hù)，射頻信號(hào)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(duì)于微波信號(hào)可以對(duì)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(duì)微波信號(hào)幾乎沒有影響，對(duì)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。

4、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(duì)于高阻信號(hào)可以采用1K電阻+50PF壓敏；

對(duì)于耳機(jī)等音頻輸出信號(hào)可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對(duì)于TP信號(hào)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。

5、增加吸收回路

可以在敏感信號(hào)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(hào)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。