电路级静电防护技巧

弘毅

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写在前边的话

    很早就想把自己在手机产品设计中的电磁兼容方面的理解写出来和大家分享，但是构想的内容过于庞大，都没有实施。可以先把提纲在这里秀一下：

　　　　1.静电防护

　　　　2.TDDnoise防治

　　　　3.EMI filter与接收机灵敏度

　　　　4.手机4层板layout技巧

　　　　5.信号完整性

　　　　6.……

    即使写静电防护也有很多内容，如相关标准，放电模型，芯片内部防护结构，系统级、板级、电路级静电防护等等。现在先找里面一部分《电路级静电防护》跟大家分享一下。

一 静电放电波形和能量频谱

    静电放电（ESD）理论研究的已经相当成熟，为了模拟分析静电事件，前人设计了很多静电放电模型。 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。芯片级一般用HBM做测试，而电子产品则用 IEC 6 1000-4-2的放电模型做测试。为对 ESD 的测试进行统一规范，在工业标准方面，欧共体的 IEC 61000-4-2 已建立起严格的瞬变冲击抑制标准；电子产品必须符合这一标准之后方能销往欧共体的各个成员国。因此，大多数生产厂家都把 IEC 61000-4-2 看作是 ESD 测试的事实标准。我国的国家标准（GB/T 17626.2-1998）等同于I EC 6 1000-4-2。大多是实验室用的静电发生器就是按 IEC 6 1000-4-2的标准，分为接触放电和空气放电。静电发生器的模型如图 1。 放电头按接触放电和空气放电分尖头和圆头两种。

IEC 61000-4-2的 静电放电的波形如图2，可以看到静电放电主要电流是一个上升沿在1nS左右的一个上升沿，要消除这个上升沿要求ESD保护器件响应时间要小于这个时间。静电放电的能量主要集中在几十MHz到500MHz，很多时候我们能从频谱上考虑，如滤波器滤除相应频带的能量来实现静电防护。其放电频谱如下，这个图是我自己画的，只能定性的看，不能定量。

IEC 61000-4-2规定了几个试验等级，目前手机CTA测试执行得是3级，即接触放电6KV，空气放电8KV。很多手机厂家内部执行更高的静电防护等级。
参考资料：

1.GB/T 17626.2-1998 静电放电抗扰度试验

   当集成电路（ IC ）经受静电放电（ ESD） 时，放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流。例如将带静电的电缆插到电路接口上时，放电回路的电阻几乎为零，造成高达数十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的 IC 管脚。瞬间大电流会严重损伤 IC ，局部发热的热量甚至会融化硅片管芯。 ESD 对 IC 的损伤还包括内部金属连接被烧断，钝化层受到破坏，晶体管单元被烧坏。    ESD 还会引起 IC 的死锁（ LATCHUP ）。这种效应和 CMOS 器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关。高电压可激活这些结构，形成大电流信道，一般是从 VCC 到地。串行接口器件的死锁电流可高达 1A 。死锁电流会一直保持，直到器件被断电。不过到那时， IC 通常早已因过热而烧毁了。电路级ESD防护方法1.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

1.1 [url=]齐纳二极管（ Zener Diodes[/url]，也称稳压二极管 ） 。 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 的电容，这对于高速信号（例如 500MHz ）而言，会引起信号畸变。齐纳二极管对电源上的浪涌也有很好的吸收作用。1.2 瞬变电压消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor) 。 TVS 是一种固态二极管，专门用于防止 ESD 瞬态电压破坏敏感的半导体器件。与传统的齐纳二极管相比， TVS 二极管 P/N 结面积更大，这一结构上的改进使 TVS 具有更强的高压承受能力，同时也降低了电压截止率，因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具有更好效果。TVS 二极管的瞬态功率和瞬态电流性能与结的面积成正比。该二极管的结具有较大的截面积，可以处理闪电和 ESD 所引起的高瞬态电流。TVS也会有结电容，通常0.3个pF到几十个pF。TVS有单极性的和双极性的，使用时要注意。手机上用的TVS大约0.01$,低容值的约2-3分$。1.3 多层金属氧化物结构器件 (MLV)，大陆一般称为压敏电阻。 MLV 也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制，此类器件具有非线性电压 - 电流 ( 阻抗表现 ) 关系，截止电压可达最初中止电压的 2 ～ 3 倍。这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的静电或浪涌保护，如电源回路，按键输入端等。手机用压敏电阻约0.0015$,大约是TVS价格的1/6，但是防护效果没有TVS好，且压敏电阻有寿命老化。2.串联阻抗。一般可以通过串联电阻或者磁珠来限制ESD放电电流，达到防静电的目的。如图。如手机的高输入阻抗的端口可以串1K欧电阻来防护，如ADC，输入的GPIO，按键等。不要担心0402的电阻会被打坏，实践证明是打不坏的。这里不详细分析。用电阻做ESD防护几乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的价格大约0.002$,和压敏电阻差不多.

3.增加滤波网络。    前面提到了静电的能量频谱，如果用滤波器滤掉主要的能量也能达到静电防护的目的。对于低频信号，如GPIO输入，ADC，音频输入可以用1k+1000PF的电容来做静电防护，成本可以忽略，性能不比压敏电阻差，如果用1K+50PF的压敏电阻（下面讲的复合防护措施），效果更好，经验证明这样防护效果有时超过TVS。
   

对于射频天线的微波信号，如果用TVS管，压敏等容性器件来做静电防护，射频信号会被衰减，因此要求TVS的电容很低，这样增加ESD措施的成本。对于微波信号 可以对地并联一个几十nH的电感来为静电提供一个放电通道，对微波信号几乎没有影响，对于900MHZ和1800MHz的手机经常用22nH的电感。这样能把静电主要能量频谱上的能量吸收掉很多。

4.复合防护。    有一种器件叫EMI filter，他有很好的ESD防护效果，如图。EMIfilter也有基于TVS管的和基于压敏电阻的，前者效果好，但很贵，后者廉价，一般4路基于压敏电阻的EMI价格在0.02$.
   

实际应用中可以用下面的一个电阻+ 一个压敏电阻的方式。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。是性价比最好的防护方式，对于高阻信号可以采用1K电阻+50PF压敏；对于耳机等音频输出信号 可以采用100欧电阻+压敏电阻；对于TP信号串联电阻不能太大否则影响TP的线性，可以采用10欧电阻。虽然电阻小了，低通滤波器效果已经没有了，但限流作用还是很重要的。



5.增加吸收回路。可以在敏感信号附件增加地的漏铜，来吸收静电。道理和避雷针原理一样。在信号线上放置尖端放电点（火花隙）在山寨手机设计中也经常应用。
翻盖机受话器上TVS管或压敏电阻应该放在哪？    很多人理解静电防护器件在layout时要靠近端口摆放，翻盖机或者滑盖机受话器（receiver，rec）上的TVS或压敏电阻要放在上板靠近rec的地方。其实不然，请看下面分析。　  这是一个翻盖机或者滑盖机，的等效电路，TVS在上板，主IC在主板，中间用比较长的FPC连接。rec是个线圈，不怕静电，怕静电的是IC。   

中间的电感分别是FPC上地网络和信号线的等效电感。当静电打在rec上时，由于TVS的钳位作用和等效电容存在，静电放电瞬时REC信号线上的电压Ub和小板的电压Ug可以看成相等的，静电荷要从FPC的地网络转移一部分到主板的地上，这时会在主板的地和小板的地之间产生一个压差Ug-0=Ug。对于信号线如果是高祖状态，即使FPC存在更大的等效电感，但是因为高阻抗不会产生电流，Ua和Ub可以看成是一致的，这样Ua=Ub=Ug，也就是芯片端和地之间会产生一个电压差，这个压差几乎等于放电瞬间小板地合主板地的电压差，这个电压差如果很大会使IC损坏。电压差大小取决于ESD放电的等级和FPC地上的等效阻抗和电感。如果是非高祖信号会有一点电流，电流大了芯片也就坏了。这样也可以近似看成Ua=Ub=Ug。因此TVS或压敏电阻放在上板如果静电达到rec上会有问题。    假如静电打在小板的地上，由于TVS或压敏的钳位和等效电容，同样Ub=Ug。由于FPC的地上等效电感存在，Ug和主板地会存在压差。信号线上没有电流Ua=Ub=Ug。Ua加在芯片端口上会打坏芯片。    假如静电打在主板地上，主板地上电荷部分会往小板地转移，产生电流，电流在FPC地等效电感上产生电压，同样会在主板地和小板地之间的电压会直接加在芯片两端烧坏芯片。    如果TVS或压敏电阻加在主板上，如图由于TVS或压敏的钳位作用，Ua和地之间电压不会太高起到保护芯片的作用。静电放在rec上，电流传导到主板上被TVS吸收掉，电荷打在小板地和主板地上都和信号线没有关系。

静电防户器件应该放在哪？    rec情况如此，其他信号线电源也如此。    上面分析的是用FPC连接两个板的情况，其实即使一块板子地上也会有阻抗的存在，这么看静电防护器件靠近芯片越近越好，即保护谁就靠近谁。特别是没有完整地层的板子。    但有个问题如果靠近芯片在端口到TVS这段走线会存在大的放电电流和电压，这样会干扰到与其相邻的为保护的信号线。鉴于手机主板有完整地层，地上等效阻抗比较小，建议把静电防护器件放在主板的接口处，但不能放在小板，按键板等上面。