ESD 防護電路

靜電放電現象

簡稱為ESD（ElectroStatic Discharge）

指靜電的正電荷或是負電荷逐漸累積時，會與周圍環境產生電位差，經由放電路徑而產生在不同電位之間移轉現象。

當系統電路遭受靜電放電（ ESD） 時，放電迴路通常會經由電阻最小的路徑形成，導致無法限制放電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路介面上時，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 腳位。瞬間大電流會嚴重損傷 IC ，局部發熱的熱量甚至會擊穿元件。 ESD 對 IC 的損傷包括內部金屬連接被燒斷，氧化層受到破壞，電晶體單元被燒壞。

ESD 還會引起 IC 的閂鎖效應（ LATCH-UP ）。在閂鎖情況下，元件在電源與地之間形成短路，造成大電流、EOS(電過載)和元件損壞。

常見的 ESD 防護電路設計有下列三種。


1. 並聯放電器件

常用的放電器件有TVS，齊納二極管，壓敏電阻，氣體放電管等，如下圖

 


齊納二極管（Zener Diodes）

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，這對於高速信號（例如 500MHz）而言，會引起信號畸變。齊納二極管對電源上的浪湧也有很好的吸收作用。

瞬變電壓消除器TVS（Transient Voltage Suppressor )

TVS 是一種固態二極管，專門用於防止 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，因而對於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。


壓敏電阻

壓敏電阻也可以進行有效的瞬時高壓衝擊抑制，此類器件具有非線性電壓- 電流 （ 阻抗表現 ） 關係，截止電壓可達最初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用於對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪湧保護，如電源回路，按鍵輸入端等。壓敏電阻價格比TVS低不少，但是防護效果沒有TVS好，且壓敏電阻有壽命老化問題。


2.串聯阻抗

一般可以通過串聯電阻或者磁珠 ( Bead ) 來限制ESD放電電流，達到防靜電的目的。如下圖。比如系統的高輸入阻抗端口可以串聯1K ohm 電阻來防護，如 GPIO，按鍵等。

3. 增加濾波網路

用濾波器濾掉主要的能量也能達到靜電防護的目的。
有時為了成本考量，只採用並聯電容的方式，也可以達到降低某程度的 ESD 強度。

 

例如，對於低頻信號，如GPIO輸出入、ADC、音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護。