一文搞定电子设计的静电放电（ESD）问题

冬天来了，又到触电时刻！和静电亲密接触的瞬间，可以弹出好几米。不止生活中，我们的电子电路中也“隐藏”静电，你知道么？

顾名思义，静电就是静止不动的电荷。各种物质的原子核对电子的束缚能力不同，因而物质得失电子的本领也不同，这就造成了摩擦起电等各种带电现象。

金属的外层电子容易丢失，这些从原子内跑出来的电子叫做“自由电子”，所以金属容易导电。绝缘体内的电子受到原子核的束缚，不容易成为自由电子，所以它不容易导电。但是利用高强度的电力作用、高温等方法可以使一部分电子摆脱原子核的束缚，成为自由电子，于是绝缘体变成了导体。

人类对静电放电（ESD）的危害的认识经历了一段漫长的历史。电子行业认识到静电放电（ESD）的危害只是最近几十年。

静电放电（Electrostatic Discharge，ESD），指处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移就是静电放电。这种转移的方式主要是两种种方式：接触放电和空气放电。

一般来说，静电只有在发生静电放电时，才会对元器件造成伤害和损伤。如人体带电时只有接触金属物体、或与他人握手时才会有电击的感觉。 对电子元器件来说，静电放电（ESD）是广义的过电应力（EOS）的一种。

广义的过电应力（Electrical Over Stress，EOS）是指元器件承受的电流或电压应力超过其允许的最大范围。下表是三种过电应力现象的特点比较：

静电导致的元器件失效的机理主要有过电压场致失效和过电流热致失效，过电压场致失效多发生于MOS 器件，过电流热致失效则多发生于双极器件。 过电流热致失效是由于静电放电电流过局部区域，温升超过材料的熔点，导致材料发生局部熔融使元器件失效，影响过流失效的主要因素是功率密度。静电放电形成的是短时大电流，放电脉冲的时间常数远小于器件散热的时间常数。因此，当静电放电电流通过面积很小的 pn 结或肖特基结时，将产生很大的瞬间功率密度，形成局部过热，有可能使局部结温达到甚至超过材料的本征温度(如硅的熔点 1415℃)，使结区局部或多处熔化导致 pn 结短路，器件彻底失效。另外，在集成电路中，静电形成的脉冲电流还有可能使寄生的器件导通，产生各种不希望的效应。据行业数据统计表明，静电导致的元器件失效之中，10%是突发性失效，90%是潜在性失效。突发性失效的意思是，静电导致元器件立刻失效；潜在性失效是指元器件没有立刻失效，但是元器件已经“受伤”，元器件将带伤工作。

定性甚至定量地分析一件事物，需要对其进行剖析已经建立模型。电子元器件的ESD模型主要有三大模型，分别是带电人体的放电模式（HBM）、带电机器的放电模式(MM)和充电器件的放电模式（CDM）。

1）带电人体的放电模式 (HBM，Human Body Model) 下图带电人体接触放电的模型，Vp 带静电的人体与地的电位差，Cp 带静电的人体与地之间的电容量，一般为 50-250pF；Rp 人体与被放电体之间的电阻值，一般为 102-105Ω。人体与被放电体之间的放电有两种,即接触放电和空气放电。 接触放电时，人体与被放电之间的电阻值是个恒定值。空气放电时，在人体与被放电体之间有一定距离时，它们之间空间的电场强度大于其介质（如空气）的介电强度，介质电离产生电弧放电，暗场中可见弧光。电弧放电的特点是在放电的初始阶段，因为空气是不良导体，放电通道的阻抗较高，放电电流较小；随着放电的进行，通道温度升高，引起局部电离，通道阻抗逐渐降低，电流增大，直至达到一个峰值；然后，随着人体静电能量的释放，电流逐渐减少，直至电弧消失。

2）带电机器的放电模式（MM，Machine Model） 机器因为摩擦或感应带电，带电机器通过电子元器件放电造成损伤。上图所示的机器放电的模型（MM），与人体模式(HBM)相比，机器没有电阻，电容则相对要大。 在元器件装配、传递、试验、测试、运输和储存的过程中由于壳体与其它材料磨擦，壳体会带静电。一旦元器件引出腿接地时，壳体将通过芯体和引出腿对地放电。这种形式的放电可用所谓带电器件模型(CDM)来描述。

在产品研发和生产过程中总是会出现一些IC损坏的现象，要想找出这些IC损坏的根本原因并不总是很容易。有些偶发性的损坏很难被重现，这时的难度就会更大。有些时候IC的失效表现简直就是灾难性的，可能被烧得一塌糊涂，对这样的状况进行分析就像要在完全烧成断垣残壁的房子里找出火灾的原因一样，几乎就是不可能的事情。 ESD作为EOS的特例，事件持续时间极短、可见性不强、损坏位置不易被发现，由ESD导致的“创面”很细微，所以直至70年代后期，电子扫描显微镜的第一次应用才导致ESD的突破，之前由ESD导致的损坏都被认定为原因不明。

1）电源芯片内部的ESD保护

电源输入端VIN被一个很大的ESD单元保护着，其保护范围包括内部稳压器和MOSFET，因而可以承受很高的静电电压。SW端子内部通常没有ESD单元，因为大型MOSFET本身就可以像ESD保护单元一样动作，静电电流可经其体二极管流向GND或VIN端，也可利用它们的击穿特性实现保护。BOOT端有一个ESD单元处于它和SW之间，其它小信号端子也各有一个小型的ESD单元，它们通常都和输入串联电阻一起保护这些小信号端子免受静电放电的危害。 在电源IC中，用于保护IC端子的ESD元件的动作电压介于器件的击穿电压和绝对最高工作电压之间，这样可避免它们在正常工作期间被触发。 2) 电源热插入期间导致的输入端过应力 因为电源线存在着感量，热插入时，与陶瓷电容发生谐振，因为MLCC的ESR较小，所以振铃的幅度会比较大，以致超过芯片的绝对耐压，导致损毁。

3) USB输出端短路测试造成USB开关输入端损毁 在针对USB输出端的短路测试时，当输出发生短路时，芯片的对策是快速关闭MOSFET开关。但是，MOSFET关断的过程有时延，瞬间有大电流流过芯片。此刻，输入走线的电感(L)与输入端的电容©可能发生谐振，与上一案例一样，高压振荡可能会导致芯片损毁。所以，在执行芯片的输出短路测试时，同时需要关注和测量输入端的电压情形。

ESD器件的选型原则是，ESD元件的动作电压介于被保护器件的绝对最高电压和击穿电压之间，既起到保护作用又可以避免误动作。 ESD二极管是常用的ESD保护器件，在选择ESD二极管的时候，除了关注其动作电压及阈值之外，关注极间电容也十分重要，特别是针对高速信号的应用。 另外，电容实际上是最常用而且是最廉价的ESD保护器件。不是所有的电容都可以防护ESD的，比如常规的陶瓷电容。陶瓷电容的特性是容值随着施加的直流电压的增加而下降。我们知道静电测试的电压非常高，达几千伏。所以，静电一旦施加于常规的陶瓷电容上，电容值急剧下降，所以起不了防护作用。专门的ESD电容，可以在很宽泛的直流电压范围内维持电容值的稳定，从而吸收静电的电压峰值，达到ESD防护的作用。 静电放电（ESD）的学问太深，我们相信通过一篇文章，你一定不会透彻的成为解决静电放电（ESD）的能手，但这篇文章绝对是你入门的基石。

转自：https://mp.weixin.qq.com/s/WoiLBxBPaiY0S8SjaugmDQ