什么是ESD保护

ESD保护定义

ESD（Electro-Static discharge）的意思是“静电释放”。ESD是20世纪中期以来形成的以研究静电的产生、危害及静电防护等的学科。因此，国际上习惯将用于静电防护的器材统称为ESD，中文名称为静电阻抗器。

ESD事件描述

ESD事件是由根据充电过程类型和瞬态电泳严重程度的三种主要ESD算法描述的：人体模型(HBM)、充电器件模型(CDM)和机器模型(MM)。这些模型定义了瞬变效应的类型，因此设计工程师们就可以定义明确的半导体过压芯片瞬变等级灵敏度，以及芯片及装配产品测试规程。利用这些模型，电路设计工程师可以测试芯片和产品的ESD保护效率相一致，而且可以定量地与可选方案进行比较。

电荷通过一系列电阻器直接传递，例如人的手指，是最普遍的ESD损坏原因。因此，优秀的ESD模型是HBM。在测试中待测器件中(DUT)，这是由一个100pF的电容通过一个1500Ω的电阻向器件放电来表示的。这个标准的商业版本是军用规范883方法3015(图1a)。

最流行的HBM变种是国际电工委员会IEC1000-4-2标准，定义为150pF电容通过一个330Ω电阻放电(图1b)。这是欧盟对在其区域内商品销售所必须的国际测试。


图1：ESD事件描述

ESD保护和雷击保护

雷击事件所产生的噪声是属低频(事件长度为20usec以上)但能量却很大的噪声，所以雷击保护组件的设计都着重在能宣泄大能量噪声，而非其反应速度上。ESD(静电放电)事件所产生的噪声是属高频(事件长度为60nsec以内)但能量很小的噪声，所以ESD保护组件的设计必须着重于其反应速度上，唯有反应速度在10nsec以内的保护元件才有ESD防护效果。

雷击保护元件的设计挑战在于要在有限的元件体积下，能宣泄最大能量的雷击噪声，元件材料的选择是设计重点。ESD保护元件的设计挑战则是在设计元件的快速反应速度与反应后的低导通阻抗，唯有如此才能提供低箝制电压来保护系统的正常运作，而此类元件的设计重点会是在元件结构及其所用的工艺上。


图2：视频接口的防雷过压和ESD保护

高速电路的ESD保护

快速ESD脉冲可能在电路板上相邻(平行)导线间产生感应电压。如果上述情况发生，由于将不会得到保护，因为感应电压路径将成为另一条让浪涌到达IC的路径。因此，被保护的输入线不应该被放置在其它单独、未受保护的走线旁边。推荐的ESD抑制器件PCB布局方案应该是：放置在被保护的IC之前，但尽量与连接器/触点PCB侧尽量近这； 放置在与信号线串联任何电阻之前； 放置在包含保险丝在内的过滤或调节器件之前； 放置在IC之前的其他可能有ESD的地方。


图3：ESD电路保护