0 ESD簡介

靜電放電即ESD（Electro-Static discharge），是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移。

.1 靜電積累

靜電是兩種介電系數(shù)不同的物質(zhì)磨擦?xí)r，正負(fù)極性的電荷分別積累在兩個(gè)特體上而形成。當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，其中一個(gè)趨從于另一個(gè)吸引電子，因而二者會形成不同的充電電位。有許多因素會影響電荷的積累，包括接觸壓力、摩擦系數(shù)和分離速度等。靜電電荷會不斷積累，直到造成電荷產(chǎn)生的作用停止、電荷被泄放或者達(dá)到足夠的強(qiáng)度可以擊穿周圍物質(zhì)為止。就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦發(fā)生的靜電是人體帶電的主要因之一。

.2 靜電放電特性

靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度很大（達(dá)幾百伏/米）頻譜極寬（從幾十兆到幾千兆），對電子產(chǎn)品造成干擾甚至損壞（電磁干擾）ESD引起的器件擊穿，是電子工業(yè)最普遍，最嚴(yán)重的靜電危害。

靜電對電子產(chǎn)品損害的特點(diǎn)隱蔽性：人體不能直接感知靜電，除非發(fā)生靜電放電。人體也不一定能有電擊的感覺，這是因?yàn)槿梭w感知的靜電放電電壓為2~3KV，所以靜電具有隱蔽性。

潛在性：有些電子元器件受到靜電損傷后的性能沒有明顯的下降，但多次積累放電會給器件造成內(nèi)傷而形成隱患。因此靜電對器件的損傷具有潛在性。

隨機(jī)性：電子元件什么情況下會遭受靜電破壞呢？可以這么說，從一個(gè)元件產(chǎn)生以后，一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機(jī)性，其損壞也具有隨機(jī)性。

復(fù)雜性：靜電放電損傷的實(shí)效分析工作，因電子產(chǎn)品的精，細(xì)，微小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而費(fèi)時(shí)，費(fèi)事，要求較高的技術(shù)并往往需要使用掃描電鏡等高精密儀器。

.3 靜電危害

引起電子設(shè)備的故障或誤動(dòng)作，造成電磁干擾．如：驅(qū)動(dòng)電路程序被ESD打亂，出現(xiàn)花屏，白屏，聲音不正常。

擊穿集成電路和精密的電子元件，半導(dǎo)體元件或者促使元件老化，降低生產(chǎn)成品率。

高壓靜電放電造成電擊，危及人身安全。

在易燃易爆品或粉塵、油霧的生產(chǎn)場所極易引起爆炸和火災(zāi)。

芯片損壞或擊穿（高速端口、高阻輸入端口、模擬端口等ESD電壓較低）

1 ESD靜電標(biāo)準(zhǔn)

一般ESD有三種類型：

第一個(gè)是人體模型，簡稱HBM，它模擬了在工廠環(huán)境中攜帶靜電的人體觸摸接地設(shè)備的過程，HBM的波形如綠線所示。值得一提的是HBM標(biāo)準(zhǔn)是為了衡量芯片，能否在生產(chǎn)、組裝和運(yùn)輸?shù)倪^程中免受ESD的損害，并非適用于日常使用的場景；

第二個(gè)是帶電裝置模型，簡稱CDM，它模擬了一個(gè)帶靜電的器件接觸電路的情景，CDM的模擬波形如藍(lán)線所示，CDM會在小于20ns的時(shí)間內(nèi)有一個(gè)非常高的電流脈沖，和HBM相似CDM也是為了衡量芯片生產(chǎn)、制造過程中可能會遇到的ESD而設(shè)計(jì)的，并非適用于日常使用場景。

第三個(gè)是IEC 61000-4-2模型，這是一個(gè)為日常使用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，它可以幫助我們衡量芯片確保是否能在日?？赡芙佑|到的ESD中，免受損壞，如紅色波形所示，它用了更高的電流脈沖 并且持續(xù)的時(shí)間也更長。

對于ESD有不同的等級，四級為最高級，一般在ESD芯片的手冊里也會表明這些參數(shù)，下面截取了TI公司的TVS保護(hù)二極管：ESDS302, ESDS304手冊的內(nèi)容。

2. ESD防護(hù)設(shè)計(jì)

電源加TVS管

特別是對于裸露在外的一些接口，比如USB、LVDS、網(wǎng)口、SD卡等，對這些接口進(jìn)行接觸放電時(shí)，靜電很容易就會“串”到電源線上，靜電由本來的共模變成了差模，此時(shí)電源上就會產(chǎn)生一個(gè)很高的尖峰，很多芯片都承受不了，發(fā)生死機(jī)，復(fù)位等問題。對于電源VCC的ESD保護(hù)，可以并接TVS管來解決。TVS管與穩(wěn)壓二極管很相似，都有一個(gè)額定的電壓，不同的是它的響應(yīng)速度特別快，對靜電有很好的泄放作用。要注意的是布局布線的時(shí)候，TVS管要盡量靠近接口的位置，TVS的陰極以最近的路徑接到接口的外殼地。

敏感器件電源添加LC濾波

有些IC特別容易受靜電影響，進(jìn)行ESD試驗(yàn)時(shí)，總是發(fā)生復(fù)位或者死掉。究其原因，一般都是電源引腳受到干擾。對此可以對其電源添加LC濾波。一般芯片的VDD管腳旁邊都會有一個(gè)去耦電容，但是這個(gè)去耦電容是沒有辦法有效攔截靜電的，甚至是幾十uF的鉭電容并接小電容，效果仍舊不佳。這時(shí)候，如果再串一個(gè)小電感，情況就得到很好的改觀。靜電放電會產(chǎn)生一個(gè)尖峰，同屬于高頻干擾，LC可以很好地將高頻濾除，使通過電感之后的尖峰大大減弱，IC就不容易死機(jī)或者復(fù)位。

PCB鋪地要求

PCB要盡可能多的鋪地。如果是雙面板，兩面都要大面積鋪銅，而且還要有足夠的地過孔；如果是四層板或以上，主要元件層的臨近平面層要設(shè)置成地層。比如四層板，如果主要元件在頂層，那么分層為：頂層->地層->電源層->底層；如果主要元件在底層，分層為：頂層->電源層->地層->底層。

3 TVS介紹

TVS，瞬態(tài)抑制二極管(TVS)又叫鉗位型二極管，是目前國際上普遍使用的一種高效能電路保護(hù)器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，它的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過，同時(shí)把電壓鉗制在預(yù)定水平，其響應(yīng)時(shí)間僅為10-12毫秒，因此可有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。TVS允許的正向浪涌電流在TA＝250C，T＝10ms條件下，可達(dá)50～200A。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓鉗制到預(yù)定水平， 雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路?？捎糜诜览讚簟⒎肋^電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等，是一種理想的保護(hù)器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當(dāng)通過TVS管的過電流增大時(shí)，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細(xì)保護(hù)的電子電路中，應(yīng)用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的，一般用于最末級的精細(xì)保護(hù)，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護(hù)，直流電源的防雷電路使用TVS管時(shí)，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。TVS管便于集成，很適合在單板上使用。

3.1 TVS的參數(shù)

TVS的伏安特性曲線，下圖給出的是雙向TVS管。如果是單向的，是反接在電路中，特性曲線的橫向正半軸不是這樣。

VBR：TVS二極管最小擊穿電壓。也就是在流過規(guī)定電流(IR )時(shí)，加于TVS兩極的最小擊穿電壓；在25℃時(shí)，低于這個(gè)電壓TVS是不會產(chǎn)生雪崩的。當(dāng)TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR )時(shí)，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR 。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把VBR分為5％和10％兩種。為了滿足IEC61000-4-2國際標(biāo)準(zhǔn)，TVS二極管必須達(dá)到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊，部份半導(dǎo)體廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。對于某些有特殊要求的可攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以依需要挑選元件。

VRMW：正常工作時(shí)候可承受的電壓。這個(gè)電壓在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓。該電壓值下對應(yīng)的電流非常小，為nA級別，因此理解為：此電壓表示電路正常工作時(shí)，TVS的電流非常小，也就是在電路中隱形，沒有發(fā)揮作用，如果是理想狀態(tài)下，該電壓狀態(tài)下的TVS電流應(yīng)該為0。選型時(shí)，比如電路中的信號電壓為3V，那么選擇TVS管的Vrmw需要大于3V；如果選擇Vrmw小于3V的TVS，那么在電路正常工作電壓為3V時(shí)，就會有比較大的電流流進(jìn)TVS，干擾電路正常工作；

IPP：最大峰值脈沖電流。處于反向狀態(tài)時(shí)， 允許通過的最大脈沖峰值電流；

VC：鉗位電壓：當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20ms的脈沖峰值電流IPP流過TVS時(shí)，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱為鉗位因子，一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止?fàn)顟B(tài)提供的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過TVS的電壓，它不能大于被保護(hù)回路的可承受極限電壓，否則元件面臨被損傷的危險(xiǎn)。

下面結(jié)合具體的datasheet來看：

該TVS的Vrwm為3.6V，主要看測試條件，是在電流為500nA的情況下；

VBR最小擊穿電壓為4.5-7.5V，測試條件是在1mA的情況下；

Vclamp（浪涌鉗位電壓）根據(jù)不同的電流測試條件下，有不同的電壓值。

舉例說明Vc：

（1）網(wǎng)上找到的測試圖片

TVS 元件與壓敏電阻在8kV IEC 61000-4-2 應(yīng)力沖擊測試下的輸出波形對比。從圖中可以看出，安森美半導(dǎo)體的TVS 元件可以迅速將ESD 應(yīng)力降低，即從8 kV 靜電電壓鉗位到5 至6 V 的水平；但壓敏電阻的曲線則下降得很慢，而且無法降到很低的水平。該曲線表明，TVS 器件的恢復(fù)時(shí)間非常短，經(jīng)過TVS 器件泄漏到后面電路的能量也非常少，特別適合于便攜式設(shè)備的應(yīng)用。而在多重應(yīng)力條件下，兩者的差別就表現(xiàn)得更為突出。由于TVS 采用二極管工作原理，受到電擊后，會立即擊穿，然后關(guān)閉，對器件沒有損傷，因此可以說沒有壽命限制。對于壓敏電阻而言，它采用的是物理吸收原理，每經(jīng)過一次ESD 事件，材料就會受到一定的物理損傷，形成無法恢復(fù)的漏電通道；而且，要達(dá)到更好的吸收效果，就要使用更多的材料，使其體積增加，進(jìn)而限制了在今天小型化產(chǎn)品當(dāng)中的應(yīng)用。

（2）TI公司的芯片

這是官方手冊給出的浪涌電流、鉗位電壓以及功率的波形圖，測試標(biāo)準(zhǔn)沒有具體理解，8/20us代表的浪涌時(shí)間（不明白的地方是給進(jìn)來的浪涌電流和電壓分別為？）。根據(jù)橫縱坐標(biāo)可以看到電流最大達(dá)到了12A左右，最大的電壓為6V左右，之后就一直下降為0（是否可以理解浪涌結(jié)束？），這兩個(gè)參數(shù)與鉗位電壓Vclamp給出的參數(shù)基本保持一致。

疑問：假如這個(gè)測試條件是給了一個(gè)電壓很高的瞬間浪涌，那么TVS可以把電壓直接降到一個(gè)比較低的水平，用來保護(hù)后續(xù)電路？

（3）鉗位波形

紅色表示沒有加入ESD保護(hù)器件，電壓會有一個(gè)很高的浪涌；

藍(lán)色表示加入了ESD保護(hù)二極管，會被鉗位到 比較低的水平。

3.2 TLP曲線（傳輸線性脈沖曲線)

所謂的TLP 測試，就是一種利用矩形短脈(50~200 ns)來測量ESD 保護(hù)元件的電流-電壓特性曲線的方法。這個(gè)短脈沖用來模擬作用于保護(hù)元件的短ESD 脈沖，而恒定阻抗的傳輸線路可以生成恒定幅度的方波。下圖為TLP 測試的結(jié)構(gòu)示意圖：

TLP 測試通過方波測試脈沖加到待測器件(DUT)的兩個(gè)引腳之間進(jìn)行測試。TLP 測試前要先對電路中的傳輸線路充電，測試時(shí)將被測器件接入，傳輸線路通過被測器件放電。改變電路和輸入電壓和傳輸線路的長度可以模擬不同能量的ESD 脈沖，從而得到器件的ESD 大電流抑制能力。TLP 測試先從小電壓脈沖開始，隨后連續(xù)增加直到獲得足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以作出完整的I-V 曲線。通常測試脈沖的幅度會加大到使DUT 徹底損傷為止，作而獲得其精確的允許最大脈沖電流。

可以通過TLP曲線觀察鉗位電壓：

舉個(gè)例子當(dāng)1A的電流被釋放到ESD二極管，它的鉗位電壓大約為8.4V；當(dāng)放電電流為2.7A，鉗位電壓為9V ；當(dāng)放電電流為5.8A時(shí) ，鉗位電壓為10V 。（這里可以對應(yīng)上面的用不同的測試條件，來獲得完整的TLP曲線）

系統(tǒng)會承受的鉗位電壓對于8000V的IEC ESD沖擊而言，我們只需要看TLP曲線中16A的那一點(diǎn) 。對于這一個(gè)二極管而言，鉗位電壓大約是13.4V。TLP曲線的斜率對于理解二極管保護(hù)的好壞很重要。

綠色的曲線代表另一顆ESD保護(hù)二極管。更高的斜率代表它在對應(yīng)電流時(shí)有更低的鉗位電壓。根據(jù)歐姆定律這條曲線的斜率為動(dòng)態(tài)電阻1/Rdyn。所以 當(dāng)你關(guān)注鉗位電壓時(shí)，選擇動(dòng)態(tài)電阻更小的ESD保護(hù)二極管，就代表它擁有更小的鉗位電壓 。

下面是TI的一款TVS芯片的TLP曲線，有一個(gè)婉轉(zhuǎn)的曲線，不太明白。

3.3 寄生電容CL

在芯片的手冊中命名為：Line capacitance（I/O對地或者I/O對I/O）

電容器量CL是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測得的。CL的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使訊號衰減，如下圖。因此，CL是數(shù)據(jù)介面電路選用TVS的重要參數(shù)。電容器對于數(shù)據(jù)/訊號頻率越高的回路，二極管的電容器對電路的干擾越大，形成噪音或衰減訊號強(qiáng)度，因此需要根據(jù)回路的特性來決定所選元件的電容器范圍。高頻回路一般選擇電容器應(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容器TVS，電容器不大于3pF)，而對電容器要求不高的回路電容器選擇可高于40pF。

那么，選擇ESD二極管時(shí)應(yīng)該選擇哪種電容？不幸的是，由于每種設(shè)計(jì)都有自己的電容預(yù)算，因此不存在適合每種接口的最大ESD電容要求。但是這張表給出的幾種常用接口的一般電容和ESD選型的建議。

4 TVS選型

計(jì)算接口信號幅值的范圍來確定ESD保護(hù)產(chǎn)品的工作電壓；

根據(jù)信號類型決定使用單向或是雙向的ESD保護(hù)產(chǎn)品；

根據(jù)信號速率決定該接口最大可接受ESD保護(hù)產(chǎn)品的電容；

根據(jù)電路系統(tǒng)最大可承受電壓沖擊，在TLP中尋找對應(yīng)的鉗位電壓；

確保ESD保護(hù)產(chǎn)品可達(dá)到或超過IEC 61000-4-2 Level 4，8KV接觸放電和15KV空氣放電；

以USB 2.0為例

第一步是確認(rèn)接口的電壓范圍，對USB2.0而言，Vbus 可能達(dá)到5伏，所以我們可以確定的是，需要選取的ESD保護(hù)二極管的，工作電壓需要達(dá)到5伏或略微高于5伏 。正常工作中 D+和D-負(fù)責(zé)傳輸差分信號，幅值范圍在0到3.6伏之間 ，所以我會選擇工作電壓在3.6伏，或者更高的ESD保護(hù)二極管。

接下來 我們需要確定ESD二極管的極性配置，在我們希望的應(yīng)用中 ，因?yàn)閂bus和D+ D-都是大于等于零的正向信號 ，所以單向和雙向的二極管都是有的，選擇單向二極管有助于提供更好的提供負(fù)壓保護(hù)。而選擇雙向二極管，可以提供更靈活的設(shè)計(jì)空間，因?yàn)?a href="http://www.nxhydt.com/tags/pi/" target="_blank">pin腳可以自定義接地 。

接下來，我們需要確定ESD二極管，應(yīng)該具有的電容，因?yàn)閂bus線路是直流電信號，電容對信號無影響 。但對于D+和D-而言，在高速USB中，信號速率可以達(dá)到480兆，所以我們需要考慮對電容的影響 。雖然最大的ESD電容還取決于，整個(gè)系統(tǒng)的電容總預(yù)算 ，但一般而言 我們推薦該接口的電容小于2.5pF ，如果系統(tǒng)中其器件具有更高的電容值 ，那么此處可能需要選擇更小電容的二極管。

接下來 我們看看保護(hù)系統(tǒng)所需的鉗位電壓 ，在這種情況下，我們需要考慮USB switch和Battery Charger能承受的最大電壓沖擊 ，我們假設(shè)battery charger在TLP脈沖20伏時(shí)，會發(fā)生故障 USB。switch在TLP16脈沖16伏時(shí)會發(fā)生故障，這意味著為了保護(hù)battery charger ，順利通過8000伏的IEC ESD沖擊，ESD二極管必須在16安，TLP又小于20伏的鉗位電壓。同理 為了保護(hù)USB switch，ESD二極管必須在16安TLP時(shí) ，有小于16伏的鉗位電壓。

4 手機(jī)ESD防護(hù)

手機(jī)電路中需要進(jìn)行ESD防護(hù)的部位有：SIM 卡插座與CPU 讀卡電路、鍵盤電路、耳機(jī)、麥克風(fēng)電路、電源接口、數(shù)據(jù)接口、USB 接口、彩屏LCD 驅(qū)動(dòng)接口。

4.1 殼體的設(shè)計(jì)

盡量增加殼體的厚離，即增加外殼到電路板之間的距離，或者通過一些等效方法增加殼體氣隙的距離，這樣可以避免或者大大減少ESD 的能量強(qiáng)度。通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可以增大外殼到內(nèi)部電路之間氣隙的距離從而使 ESD 的能量大大減弱。根據(jù)試驗(yàn)，8kV 的ESD 在通過過4mm 的距離后能量一般衰減為零。

可以用 EMI 油漆噴涂在殼體的內(nèi)側(cè)。EMI 油漆是導(dǎo)電的，可以看成是一個(gè)金屬的屏蔽層，這樣可以將靜電導(dǎo)在殼體上；再將殼體與PCB（Printed Circuit Board）的地連接，將靜電從地導(dǎo)走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI 的干擾。如果有足夠的空間，還可以用一個(gè)金屬屏蔽罩將其中的電路保護(hù)起來，金屬屏蔽罩再連接PCB 的GND。用金屬屏蔽罩將 LCD 模塊保護(hù)起來的例子。

4.2 手機(jī)PCB設(shè)計(jì)

因?yàn)槭謾C(jī)通常是多層板，有高頻信號，在設(shè)計(jì)時(shí)布局、布線有很多需要注意的地方。

4.3 電路設(shè)計(jì)

在殼體和 PCB 的設(shè)計(jì)中，對ESD 問題加以注意之后，ESD 還會不可避免地進(jìn)入到手機(jī)電路中，尤其是以下幾個(gè)部件：SIM 卡的CPU 讀卡電路、鍵盤電路、耳機(jī)、麥克風(fēng)電路、數(shù)據(jù)接口、電源接口、USB 接口、彩屏LCD 驅(qū)動(dòng)接口，這些部位很可能將人體的靜電引入手機(jī)中。所以，需要在這些部分中使用ESD 防護(hù)器件。

5 總結(jié)

總之，靜電的防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，從靜電的產(chǎn)生、靜電的積累、靜電的釋放、靜電釋放的路徑的選擇和釋放靜電的量的控制全方位考慮，但是因?yàn)殪o電破壞的復(fù)雜性，至今還沒有一個(gè)很好的方法去完全解決靜電問題。但是這也不代表我們對靜電問題束手無策，在靜電保護(hù)的過程中，我們只要遵循一個(gè)原則：靜電的積累必然有靜電的釋放，所以我們只要給靜電選好放電的路徑和放電的去處即放電地，就能很好的進(jìn)行靜電的釋放。

審核編輯：湯梓紅