了解静电和过压两大危害，有效应对CMOS

对于模拟 CMOS（互补对称金属氧化物半导体）而言，两大主要危害是静电和过压（信号电压超过电源电压）。了解这两大危害，用户便可以有效应对。

静电

由静电荷积累（V=q/C=1kV/nC/pF）而形成的静电电压带来的危害可能击穿栅极与衬底之间起绝缘作用的氧化物(或氮化物)薄层。这项危害在正常工作的电路中是很小的，因为栅极受片内齐纳二极管保护，它可使电荷损耗至安全水平。

然而，在插人插座时，CMOS 器件与插座之间可能存在大量静电荷。如果插人插座的第一个引脚恰巧没有连接齐纳二极管保护电路，栅极上的电荷会穿过氧化层释放而损坏器件。

以下四步有助于防止器件在系统装配阶段受损：

将未使用的 CMOS 器件存放于黑色导电泡沫材料中，这样在运输时可以防止引脚之间积累电荷；

负责器件接插的操作人员应通过一个塑料接地带与系统电源地相连；

从防护性的泡沫材料中取出 CMOS 器件前，泡沫材料应与电源共地，释放掉积累的电荷；

在电路插人电路板之后，移动电路板时应保持电路板接地或屏蔽。

SCR 闩锁

在使用模拟 CMOS 电路时，最安全的做法是确保没有超过电源电压的模拟或数字电压施加到器件上，并且电源电压在额定范围内。尽管如此，实施承受过压保护也是有必要的。如果理解了问题的机制，保护措施在大多数情况下都会是行之有效的。

图 1 是一个典型 CMOS 输出开关单元的电路图及截面图。从不同单元和区域之间的连接关系中，我们可以画出一个等效二极管电路图(图 2)。如果在 S 端或 D 端的模拟输人电压超过电源电压。

图 1：典型 CMOS 输出开关单元的电路图及截面图

图 2：等效二极管电路图

由不同二极管结产生的寄生晶体管就会处于正向偏置模式。这些寄生的 NPN 和 PNP 晶体管形成如图 3 所示的 SCR(可控硅整流器)电路。

图 3. CMOS 开关中的寄生晶体管益沦应

过压能引起过大的电流和金属化问题。通常，运算放大器的输出作为 S 端或 D 端的电压源，因此电流不能大于运算放大器直流输出电流的限值。然而，瞬态感应电流仍有可能破坏 CMOS 器件；因此，有必要进行保护。

图 4 举例说明了通过在电源供电引脚串联二极管(比如 1N459)防止寄生晶体管导通的方法。如果 S 端或 D 端电压高于电源电压时，CR1 和 / 或 CR2 反向偏置，基极驱动电路不能使晶体管导通。每个 CMOS 器件都应该有一对独立的二极管对其进行保护。尽管这个方法很有效，但它不是万无一失的。如果开关的一端连接到一个负电位(例如一个充电电容)，并且另一端电压超过 VDD，则尽管有保护二极管。

图 4：电路保护方案

在 Q2 的一个发射极的雪崩二极管足够提供基极驱动使 Q2 导通。对于这种情况，必须要有一个与电容串联的限流电源或者电阻。

如果在 S 端或 D 端有瞬时过压，那么由电压源供电的端口处的串联电阻的建议值为 300 至 400Ω(图 4b)。

电路及ESD静电防护

静电放电(ESD: Electrostatic Discharge)，应该是造成所有电子元器件或集成电路系统造成过度电应力(EOS: Electrical Over Stress)破坏的主要元凶。因为静电通常瞬间电压非常高(>几千伏)，所以这种损伤是毁灭性和永久性的，会造成电路直接烧毁。所以预防静电损伤是所有IC设计和制造的头号难题。

静电，通常都是人为产生的，如生产、组装、测试、存放、搬运等过程中都有可能使得静电累积在人体、仪器或设备中，甚至元器件本身也会累积静电，当人们在不知情的情况下使这些带电的物体接触就会形成放电路径，瞬间使得电子元件或系统遭到静电放电的损坏(这就是为什么以前修电脑都必须要配戴静电环托在工作桌上，防止人体的静电损伤芯片)，如同云层中储存的电荷瞬间击穿云层产生剧烈的闪电，会把大地劈开一样，而且通常都是在雨天来临之际，因为空气湿度大易形成导电通到。

那么，如何防止静电放电损伤呢？

并联放电器件

常用的放电器件有TVS，齐纳二极管，压敏电阻，气体放电管等。如图

1.1、齐纳二极管（ Zener Diodes ，也称稳压二极管 ） 。利用齐纳二极管的反向击穿特性可以保护 ESD敏感器件。但是齐纳二极管通常有几十 pF 的电容，这对于高速信号（例如 500MHz）而言，会引起信号畸变。齐纳二极管对电源上的浪涌也有很好的吸收作用。

1.2、瞬变电压消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor) 。TVS 是一种固态二极管，专门用于防止 ESD 瞬态电压破坏敏感的半导体器件。与传统的齐纳二极管相比， TVS 二极管 P/N 结面积更大，这一结构上的改进使 TVS

具有更强的高压承受能力，同时也降低了电压截止率，因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具有更好效果。

TVS二极管的瞬态功率和瞬态电流性能与结的面积成正比。该二极管的结具有较大的截面积，可以处理闪电和 ESD所引起的高瞬态电流。TVS也会有结电容，通常0.3个pF到几十个pF。TVS有单极性的和双极性的，使用时要注意。手机上用的TVS大约0.01$，低容值的约2-3分$。

1.3、多层金属氧化物结构器件 (MLV)，大陆一般称为压敏电阻。MLV也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制，此类器件具有非线性电压 - 电流 ( 阻抗表现 ) 关系，截止电压可达最初中止电压的 2 ～ 3倍。这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的静电或浪涌保护，如电源回路，按键输入端等。手机用压敏电阻约0.0015$,大约是TVS价格的1/6，但是防护效果没有TVS好，且压敏电阻有寿命老化。

串联阻抗

一般可以通过串联电阻或者磁珠来限制ESD放电电流，达到防静电的目的。如图。如手机的高输入阻抗的端口可以串1K欧电阻来防护，如ADC，输入的GPIO，按键等。不要担心0402的电阻会被打坏，实践证明是打不坏的。这里不详细分析。用电阻做ESD防护几乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的价格大约0.002$,和压敏电阻差不多.

增加滤波网络

前面提到了静电的能量频谱，如果用滤波器滤掉主要的能量也能达到静电防护的目的。

对于低频信号，如GPIO输入，ADC，音频输入可以用1k+1000PF的电容来做静电防护，成本可以忽略，性能不比压敏电阻差，如果用1K+50PF的压敏电阻（下面讲的复合防护措施），效果更好，经验证明这样防护效果有时超过TVS。

对于射频天线的微波信号，如果用TVS管，压敏等容性器件来做静电防护，射频信号会被衰减，因此要求TVS的电容很低，这样增加ESD措施的成本。对于微波信号可以对地并联一个几十nH的电感来为静电提供一个放电通道，对微波信号几乎没有影响，对于900MHZ和1800MHz的手机经常用22nH的电感。这样能把静电主要能量频谱上的能量吸收掉很多。

复合防护

有一种器件叫EMI filter，他有很好的ESD防护效果，如图。EMI filter也有基于TVS管的和基于压敏电阻的，前者效果好，但很贵，后者廉价，一般4路基于压敏电阻的EMI价格在0.02$.

实际应用中可以用下面的一个电阻+一个压敏电阻的方式。他既有低通滤波器的功能，又有压敏电阻的功能，还有电阻串联限流的功能。是性价比最好的防护方式，对于高阻信号可以采用1K电阻+50PF压敏；对于耳机等音频输出信号可以采用100欧电阻+压敏电阻；对于TP信号串联电阻不能太大否则影响TP的线性，可以采用10欧电阻。虽然电阻小了，低通滤波器效果已经没有了，但限流作用还是很重要的。

增加吸收回路

可以在敏感信号附件增加地的漏铜，来吸收静电。道理和避雷针原理一样。

在信号线上放置尖端放电点（火花隙）在山寨手机设计中也经常应用。

翻盖机受话器上TVS管或压敏电阻应该放在哪？

很多人理解静电防护器件在layout时要靠近端口摆放，翻盖机或者滑盖机受话器（receiver，rec）上的TVS或压敏电阻要放在上板靠近rec的地方。其实不然，请看下面分析。

这是一个翻盖机或者滑盖机，的等效电路，TVS在上板，主IC在主板，中间用比较长的FPC连接。rec是个线圈，不怕静电，怕静电的是IC。

中间的电感分别是FPC上地网络和信号线的等效电感。当静电打在rec上时，由于TVS的钳位作用和等效电容存在，静电放电瞬时REC信号线上的电压Ub和小板的电压Ug可以看成相等的，静电荷要从FPC的地网络转移一部分到主板的地上，这时会在主板的地和小板的地之间产生一个压差Ug-0=Ug。对于信号线如果是高祖状态，即使FPC存在更大的等效电感，但是因为高阻抗不会产生电流，Ua和Ub可以看成是一致的，这样Ua=Ub=Ug，也就是芯片端和地之间会产生一个电压差，这个压差几乎等于放电瞬间小板地合主板地的电压差，这个电压差如果很大会使IC损坏。电压差大小取决于ESD放电的等级和FPC地上的等效阻抗和电感。如果是非高祖信号会有一点电流，电流大了芯片也就坏了。这样也可以近似看成Ua=Ub=Ug。因此TVS或压敏电阻放在上板如果静电达到rec上会有问题。

假如静电打在小板的地上，由于TVS或压敏的钳位和等效电容，同样Ub=Ug。由于FPC的地上等效电感存在，Ug和主板地会存在压差。信号线上没有电流Ua=Ub=Ug。Ua加在芯片端口上会打坏芯片。

假如静电打在主板地上，主板地上电荷部分会往小板地转移，产生电流，电流在FPC地等效电感上产生电压，同样会在主板地和小板地之间的电压会直接加在芯片两端烧坏芯片。

如果TVS或压敏电阻加在主板上，如图由于TVS或压敏的钳位作用，Ua和地之间电压不会太高起到保护芯片的作用。静电放在rec上，电流传导到主板上被TVS吸收掉，电荷打在小板地和主板地上都和信号线没有关系。

静电防护器件应该放在哪？

rec情况如此，其他信号线电源也如此。

上面分析的是用FPC连接两个板的情况，其实即使一块板子地上也会有阻抗的存在，这么看静电防护器件靠近芯片越近越好，即保护谁就靠近谁。特别是没有完整地层的板子。

但有个问题如果靠近芯片在端口到TVS这段走线会存在大的放电电流和电压，这样会干扰到与其相邻的为保护的信号线。鉴于手机主板有完整地层，地上等效阻抗比较小，建议把静电防护器件放在主板的接口处，但不能放在小板，按键板等上面。

该内容是小编转载网络，仅供学习交流使用，如有侵权，请联系删除。如果你还想了解更多关于电子元器件的相关知识及电子元器件行业实时市场信息，敬请关注微信公众号 【上海衡丽贸易有限公司】主要以代理：铝电解电容、薄膜电容、MOSFET、压敏电阻、保险丝等国产知名品牌元器件。

相关问答

防静电鞋的国家原标准是GB4385-1997,2007年重新修订了标准,新标准为GB21148-2007,把防静电鞋、保护足趾、防穿刺、耐油鞋全部归为同一个标准,全部功能检测项目...

有两方面的区别;1、接地保护的功能不同,静电接地,就是等效电阻接地,是吸纳空气中和物体表面的静电,防止静电保护对人体的危害。保护接地,防止设备的泄露电...

如何防止洗衣服时产生静电为了保护衣物,防止在洗涤过程中产生静电,可以采取以下措施:1.使用低静电洗涤剂。选择低静电洗涤剂可以减少衣物间的摩擦,从而减少...

静电会对机器设备造成损坏,接地线是连接设备和大地的导线,将设备上积累的静电引入地下,从而保护机器设备不受静电的影响。以下是如何接静电接地线以及消除机器...

要彻底解决戴尔g15静电保护问题,需要采取以下措施:1.在使用电脑前,先用静电手环将身体上的静电放电;2.将电脑接地,可以使用接地插头或接地线;3.不要在干...

[回答]柔顺剂防静电。柔顺剂富含阳离子表面活性剂,能够在衣物纤维表面形成保护层,有效减少纤维之间的摩擦,大大降低了静电在织物上累积的可能,从...

1.TTL和CMOS都需要防静电。2.静电是指电荷在物体之间的不平衡,当人体或其他物体带有静电时,接触到电子器件可能会导致静电放电,从而损坏电子器件。TTL(Tran...

首先下载鲁大师做一下检测,跑一下分,然后关闭Win10的自动更新功能,用戴尔自带的优化软件更新一下最新驱动,如果对游戏要求比较高的,可以在Bios里设置一下显...

1.电脑静电保护是指采取一系列措施来防止静电对电脑硬件造成损害的行为。2.静电是指物体带电而不流动的电荷,当人体或其他物体带有静电时,接触电脑硬件可能...

静电保护膜是一种用于保护电子设备免受静电干扰或损害的膜。其材质通常为导电材料或抗静电材料,使用时将其覆盖在电子设备表面,可以有效地减少或消除静电对设...