ESD斷路過壓保護

在安裝于印刷電路板之前，必須對線性IC(如運算放大器、儀表放大器和數據轉換器)進行保護。這即所謂斷路(out-of-circuit)狀態。在這種條件下，IC可能遇到多大的浪涌電壓完全取決于其環境。多數情況下，有害的浪涌電壓來自靜電放電，即常說的ESD。這是一種單次、快速、高電流的靜電荷傳輸現象，源于兩種條件，它們是：

* 兩個處于不同電位的物體之間的直接接觸傳輸(有時稱為接觸放電)* 兩個物體靠近時之間產生的高靜電場(有時稱為氣隙放電)。

靜電的主要來源基本都是絕緣器并且一般都是合成材料，如乙烯或塑料工作表面、絕緣鞋、經過表面加工的木質椅子、透明膠帶、氣泡袋、尖端未接地的烙鐵等。這些來源產生的電平極高，因為它們的電荷并不容易分布在表面上或者傳導給其他物體。兩個物體相互摩擦產生靜電被稱為摩擦電效應。一些常見行為會產生較大的ESD電壓，部分示例見圖1。

ESD產生的高壓和高峰值電流會損壞IC。

精密模擬電路通常具有極低的偏置電流，比普通數字電路更容易遭到損壞，因為用于ESD保護的傳統輸入保護結構會增加輸入泄漏——因此不能使用。

對于設計工程師或技師來說，ESD損壞最常見的表現是IC發生災難性故障。然而，暴露在ESD之下也可能導致泄漏增加，或者使其他參數下降。如果某個器件在評估期間似乎達不到數據手冊上的規格指標，則應考慮ESD損壞的可能性。圖2列出了ESD引起的故障的一些相關點。

所有ESD敏感器件均采用保護性封裝。IC通常裝在導電泡沫中或者防靜電包裝套管中，而后將容器密封在一個靜電耗散塑料袋中。密封后的塑料袋用一個明顯的標簽標好（如圖3所示），標簽上標明正確的操作程序。

如圖3所示外部封裝說明旨在告知用戶，必須遵循ESD保護所需要的操作程序。

另外，ESD敏感型IC的數據手冊都有一條醒目的聲明，如圖4所示。

一旦識別出ESD敏感型器件，保護起來就相對容易些。很明顯，首先應盡量把IC保存在原來的保護性封裝中。下一步是給存在破壞可能性的ESD源放電，以防患于未然。這種電壓放電可以通過高阻抗快速而安全地實施。

ESD安全IC操作需要的一個關鍵組件是一個具有靜電耗散表面的工作臺，如圖5所示。其表面通過一個1MΩ電阻接地，可以耗散任何靜電荷，同時還能保護用戶，免除接地故障電擊危險。如果現有的工作臺頂部不導電，則應添加一塊靜電耗散墊和一個放電電阻。

請注意，工作臺的表面具有較高的薄膜電阻。工作表面不需要，也不適合使用低阻表面材料(如銅箔PC板)。請記住，如果通過低阻抗釋放IC電荷，則可能產生高峰值電流。這正是帶電IC接觸接地銅箔板時發生的情況。然而，當將同一個帶電IC放在如圖5所示高阻抗表面時，峰值電流不足以損壞器件。

對于減少ESD相關損壞，有幾點人員操作技巧是至關重要的。在工作臺時，建議在操作ESD敏感型器件時帶上一個導電手環。手環可以確保正常的任務(如從包裝上撕下膠帶)不會導致IC損壞。另外，出于安全考慮，需用一個1MΩ的電阻從手環接地。在構建原型實驗板或者裝配含有ESD敏感型IC的PC板時，應在IC之前插入和焊接全部無源元件。結果將降低敏感型器件的ESD風險。當然，烙鐵尖需要接地。

保護IC、使其免受ESD影響需要IC制造商和客戶的共同參與。對IC制造商來說，為其產品提供最高水平的ESD保護是其既得利益。IC電路設計師、工藝工程師、封裝專家和其他人則不斷探索，試圖找到更好的新型電路設計、工藝和封裝方法以承受或分流ESD能量。然而，完整的ESD保護方案不僅僅需要在IC中內置ESD保護機制。IC用戶也需要為其員工提供必要知識和培訓，使其了解和遵守ESD操作程序，從而在整個過程的各個關鍵環節都建立起有效的保護，如圖6所示。

在構建實驗板以及評估IC時，需要特別小心。ESD損壞可能具有累加效應，因此，如果器件反復操作不當，結果可能導致故障。在試驗插座上插入和移除IC時、評估期間存儲器件時以及在實驗板上添加或移除外部元件時，均須遵循適當的ESD預防措施。同樣，如果器件在原型系統開發期間發生故障，其原因可能是不斷反復的ESD應力。

對于ESD，需要記住一個關鍵詞：預防。ESD損壞一旦發生則無法挽回，也無法補償。

ESD模型和測試

有些應用對ESD的敏感度高于其他應用。位于PC板上且周圍有其他電路的IC遭受ESD損壞的可能性一般遠遠小于那些必須與其他PC板或外部世界接口的電路。這些IC一般沒有任何特定ESD保護的額定規格，也不提供此類保證(MIL-STD-883方法3015類器件除外)。ESD敏感型接口的一個良好示例是計算機上的RS-232接口端口IC，該IC很容易暴露在高電壓之下。為了保證此類器件的ESD性能，必須指定測試方法和限制。

人們提出了多種測試波形和規格，用以評估器件對ESD的敏感性。半導體或分立式器件目前仍在使用的最重要的三種波形為：人體模型(HBM)、機器模型(MM)和充電器件模型(CDM)。每一種模型均代表著一種完全不同的ESD事件，因此，這些模型的測試結果之間的相關性很小。

1996年以來，銷往歐共體或者在歐共體內部銷售的所有電子設備都必須達到IEC1000-4-x規范中規定的電磁兼容性(EMC)等級。請注意，這并不適用于單片IC，而是適用于最終設備。各種IEC1000規范規定了此類標準和測試方法，詳見圖7。

IEC1000-4-2規定，合規測試要使用兩種耦合方法，即接觸放電和氣隙放電。接觸放電要求直接連接測試的裝置。氣隙放電使用更高的測試電壓，但不會直接接觸測試的裝置。在氣隙放電法下，放電槍朝向測試裝置移動，在整個氣隙上形成一道弧，氣隙放電即由此而來。這種方法受濕度、溫度、氣壓、距離和放電槍逼近速率的影響。接觸放電法雖然現實性較低，但具有更高的可重復性，其應用呈現出趕超氣隙放電法之勢。

雖然ESD脈沖含有的能量極少，但極快的上升時間和高電壓卻可能給未受保護的IC帶來故障。電弧或熱效應可能立即給器件帶來災難性損壞。即使災難性故障不會立即發生，器件的參數也可能下降，結果會降低性能。連續暴露具有累積效應，可能最終導致器件完全失效。

I/O線路尤其容易遭到ESD損壞。即使是簡單地接觸一下，或者是插入一條I-O線纜，也可能導致靜電放電，結果可能損壞或完全損毀與I/O端口相連的接口產品(如RS-232線路驅動器和接收器)。

傳統的ESD測試方法(如MIL-STD-883B方法3015.7)并不會全面測試產品對這種放電的敏感性。該測試方法旨在測試產品在操作期間遭受ESD損壞的可能性。每個引腳都是相對于所有其他引腳進行測試的。MIL-STD-883B方法3015.7測試與IEC測試之間存在重要差異，如下所示：

IEC測試在放電能量方面要求更嚴格。注入的峰值電流大四倍以上。在IEC測試中，電流上升時間明顯更快。IEC測試是在器件帶電期間進行的。ESD放電有可能導致測試器件閂鎖。因此，該測試更能代表現實I-O放電，因為設備一般都是帶電運行的。然而，保險起見，應該對接口器件進行這兩種測試，以確保操作期間以及隨后的現場維修期間，器件均能獲得最大程度的保護。

圖8比較了IEC1000-4-2模型與MIL-STD-883B方法3015.7人體模型的測試電路值。

MIL-STD-883B方法3015.7和IEC1000-4-2兩種測試的ESD波形分別列于圖9的左右兩欄。

適用的ESD保護設計措施實現起來相對容易，本節已討論過的多數過壓保護方法都有用。也可以獲得額外的保護措施。對于RS-232和RS-485驅動器和接收器，ADMXXX-E系列提供15kV(HBM)ESD擔保規格。對于更通用的應用，在系統適當位置增加TransZorb保護電路也可提供ESD保護功能。

圖10從斷路和在線兩個角度總結了ESD預防的要點。