對于大部分工程師來說，ESD是一種挑戰，不僅要保護昂貴的電子元件不被ESD損毀，還要保證萬一出現ESD事件后系統仍能繼續運行。這就需要對ESD沖擊時發生了什么做深入的了解，才能設計出正確的ESD保護電路。

　　我們的手都曾有過靜電放電（ESD）的體驗，即使只是從地毯上走過然后觸摸某些金屬部件也會在瞬間釋放積累起來的靜電。我們許多人都曾抱怨在實驗室中使用 導電毯、ESD靜電腕帶和其它要求來滿足工業ESD標準。我們中也有不少人曾經因為粗心大意使用未受保護的電路而損毀昂貴的電子元件。

　　對某些人來說ESD是一種挑戰，因為需要在處理和組裝未受保護的電子元件時不能造成任何損壞。這是一種電路設計挑戰，因為需要保證系統承受住ESD的沖擊，之后仍能正常工作，更好的情況是經過ESD事件后不發生用戶可覺察的故障。

　　與人們的常識相反，設計人員完全可以讓系統在經過ESD事件后不發生故障并仍能繼續運行。將這個目標謹記在心，下面讓我們更好地理解ESD沖擊時到底發生了什么，然后介紹如何設計正確的系統架構來應對ESD。

　　簡單的ESD模型

　　將一個電容充電到高電壓（一般是2kV至8kV），然后通過閉合開關將電荷釋放進準備承受ESD沖擊的“受損”器件（圖1）。電荷的極性可以是正也可以是負，因此必須同時處理好正負ESD兩種情況。

　　圖1：板級ESD通常涉及機器模型（MM）和人體模型（HBM）

　　破壞受損電路的高瞬態電壓一般具有幾個納秒的上升時間和大約100納秒的放電時間。受損電路不同，對正負沖擊的敏感性可能也有很大的不同，因此你需 要同時處理好正負沖擊。人體模型（HMB）和機器模型（MM）這兩種最常見模型之間的區別主要在于串聯電阻。人體模型的導電性沒有金屬那么好。

　　防止過壓損壞的最佳保護措施是用非線性電路進行限壓或鉗位（圖2）。最常用的是專門的二極管，當它們在前向偏置或處于齊納擊穿區時具有很低的阻抗。引入限壓器可以快速引起某些別的事件，因為通過電容放電會有大的浪涌電流經過限壓器。

　　圖2：基本的限壓電路可以防止過壓損壞。

　　雖然消除了高瞬態電壓，但代之以幾個安培的浪涌電流可能會導致系統中出現其它問題。具體取決于隨后路徑的總阻抗，浪涌電流可以達到幾個安培。在為芯 片設計I/O單元時，經常看到4A至16A的浪涌電流進入器件。處理如此巨大的瞬態浪涌電流已經成為ESD設計中的大問題。限制電壓還算比較容易，但形成 的電流可能使系統中其它地方的電路和地發生逆轉。

　　被限壓器強制導入地的電流將在系統的那個節點中產生感應性振鈴現象（圖3）。電源通常沿著地線傳播，并且是電源去耦電容的函數，因此系統核心仍能正常工 作。不過連到電路板上的控制線可能出現混亂，因為它們是相對板外的地而建立的。結果可能在某個位置發生ESD事件，并致使電路板上的某個輸入端看起來出現故障。

　　圖3：通過限壓器將大的浪涌電流注入到地將引起PCB地的反彈，并表現為連接電感的一個函數。

　　堡壘的ESD防護作用

　　利用板級ESD，你可以嘗試建立一個堡壘，并在“護城河”上建立多個受控的接入點。連接到“城墻”之外的部分可以被廣義地分成幾個類別：協議受控的數據、 低帶寬檢測和控制線以及高速接口。前兩個比較容易處理，第三個具有一定程度的挑戰性。讓這三部分免遭ESD破壞有幾種不同的方法。

　　不管最終產品是什么樣，某種形式的保護性外殼將成為設備的一部分。隔離外殼內的電路是需要仔細考慮的第一道防線。在理想情況下，連接電路板地的金屬外殼通常能起使用，但現代產品經常采用非導電性的塑料或其它現代材料。

　　電路設計人員通常沒法控制建造城墻的材料，但對保護堡壘負有不可推卸的責任。在設計外殼時需要注意，到達機箱外部任何部分的ESD都會有無數路徑進入內部電路。

　　建立一個PCB能夠自我防止ESD沖擊的堡壘可以從低阻抗的接地方法開始。建立一個地基和正常的電源完整性可以讓印刷電路板（PCB）保持整個板上的信號完整性，即使是受到巨大的地浪涌電流沖擊的時候。

　　作為一個設計工程師，你會要求每個人系好他們的安全帶，這樣可以對付少量的氣流。飛機可能快速地上下擺動，但如果每個人都系好了安全帶，那么所有人都會固定在原位，飛機也會繼續飛行。在這之后，你需要保護外部連接，并限制ESD事件效應。

　　保護電路應該位于電路板入口位置，而不是入口點的下游。需要處理的可能是電弧問題引起的數千伏電位，或者最好在電路板邊緣位置處理的數安培的浪涌電流。

　　TVS限壓器的ESD保護

　　瞬態電壓抑制（TVS）限制二極管可以用作限壓器。它們分為普通電壓、邏輯電平和電源電壓。常見的電壓種類有：12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.2V。

　　這個數字應該看起來比較熟悉，因為這些器件是專門針對與許多CMOS器件有關的需求設計的。一種規格不可能滿足所有需求，它們應該是適合要保護器件的正確電壓。

　　現代CMOS工藝顯著降低了電源電壓，以保護沒有很多設計余量且電壓范圍有限的晶體管，這點值得我們尊敬。這些器件一般使用代工工藝制造，這種代工工藝可以用小型封裝提供具有低阻抗特性的大電流器件。

　　在輸入線上放置TVS限壓器可以保護輸入端免遭ESD的破壞性損害（圖4）。但這種限壓器無法處理在主機處理時發生的信號混亂現象，也無法處理由于巨大的地電流浪涌而發生的逆轉效應。

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