# 接口防护指南——静电
静电与浪涌的区别前章[^1]已探讨。
## 静电ESD
这里说的静电主要是2种模型：HBM和CDM。前者是人体模型，后者是充电器件放电模型。两者波形对比如下。
CDM模型特点：
- 上升时间极短：<400pS
- 电流峰值极大：5~20A/500V
- 维持时间极短：0.5~1.0nS
- 一 般保护电路来不及动作
HBM和MM模型是模拟人体(Human Body)或机器设备（Machine）带电后对元器件放电，而 CDM模型则是模拟元器件本身带电后对地放电。随着芯片制造、封测、装联的自动化程度提高，人体接触器件的机会相对减少，带电器件ESD放电事件越来越成为微电子器件失效的主要原因之一[^2]。
CDM模型就是基于已带电的器件通过引脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的。带电器件的电容值与器件的封装结构、引脚排列形式及器件放置时的方位等因数有关，一般仅为几到几十皮法（pF）。
对于ESD测试而言，以人体模型（HBM）为主。人体放电模型有两种：接触放电与空气放电。
### 测试方法
IEC61000-4-2 中第7.2.2章节定义了测试环境的搭建。
EN301489-1 第9.3 章节制定了 ESD 测试方法。
测试标准如下。
IEC61000-4-2 第5章节定义了测试水平，根据测试结果对应不同的的level。
这个是静电放电抗干扰度试验标准，对应国标GB/T 17626.2-2018。
其波形如下图所示。
8kV的波形可以等效为TLP的2A波形。如下图所示。
## 静电辐射[^3]
根据论文研究，接触放电的频率成分为0~250MHz，中心频率在40MHz。
空气放电时的频率成分为0~130MHz，中心频率为28MHz。
所以在打静电时也要考虑是否会有干扰，导致工作异常。
## ESD管的要求
Vrwm需要保证不会影响到器件工作，故需要大于器件工作电压。
Vbr为动作电压点，同Vrwm一样需要大于器件工作电压。通常Vrwm=（0.8~0.9）Vbr。
Vcl为钳位电压，需要低于器件的最大工作电压。当ESD或者浪涌通过时，到器件端的电压最多会被钳位到Vcl，即Vclamp，一般为1.3Vbr。
**划重点：**
- **Vbr>Vrwm>Vin（1.1~1.2：1：1）**
- **Vinmax>Vcl>Vbr（n：1.3：1）**
- **P=Vclamp*(Vsurge-Vclamp)/2**
- **注意高速信号线上选择低容（低的结电容Cj）**
- **注意漏电流大小**
- **注意耦合辐射杂散和Dense**
- **注意接地需要是主地或者大平面地**
## 其他
动态阻抗是ESD保护器件一个非常重要的参数。动态阻抗越低，表明更多的ESD电流会流经保护器件，更少的电流会流经被保护设备。
TVS由于更关注于器件的钳位电压，所以会在齐纳二极管的基础上做些工艺上的优化，以减少钳位电压。比如齐纳二极管可能使用的衬底片；而TVS为了降低衬底引入的电阻，会采用高掺杂的衬底片加外延的方式来降低衬底引入的电阻，从而降低TVS的动态阻抗，达到降低钳位电压的目的。
单向TVS是PN结正向导通，将负脉冲钳位到较低电压。
双向TVS为雪崩击穿，正负脉冲都有一个管子处于正向导通状态。
低容TVS一般由低容的正向二极管和普通容值的TVS串联形成。由于同一个二极管的正向的通流能力为反向的几十倍，利用这个特点，普通容值TVS串联一个低容正向二极管，可以把电容做低，然后再并联一个方向相反的低容二极管，可以形成低容单向TVS，具有和普通容值TVS相似的I-V特性，但电容会大大降低。由于串联一个正向二极管，所以钳位电压会比普通容值TVS更高。如下图所示，普通容值二极管D3和低容正向二极管D1串联，然后和方向相反的二极管D2并联，其I-V特性和普通TVS相比，VBR高约0.7V，VF仍约为0.7V，但是电容可以低至普通容值TVS的几十分之一。此时TVS的电容为Cd1+Cd2。
其中低容TVS的D3管使用NPN工艺时是一个NPN三极管。普通容值的NPN结构的D3管再加低电容的正向二极管D1和D2构成了低容NPN TVS管。
如果是双向TVS管则如下图所示。
一些常用的TVS管。
## Reference
[^1]: [接口防护指南——浪涌](https://www.mythbird.com/interface-protection-guidelines-surge.html)
[^2]: [半导体器件的ESD测试带电器件模型（CDM）及静电敏感度分级](http://www.anytesting.com/news/1935005.html)
[^3]: [静电放电电磁脉冲的实验研究](https://www.hplpb.com.cn/article/exportPdf?id=1235)