(32 封私信 / 80 条消息) ESD常见三种放电模型（HBM、CDM 和 MM）介绍 - 知乎

定义

ESD(Electrostatic Discharge)：静电放电
标准定义:根据GB/T4365-2003电工术语电磁兼容对静电放电的定义:具有不同静电电位的物体靠近或者接触引起的电荷转移。
通用定义:两个具有不同静电电位的物体,由于直接接触或者靠近引起两物体间电荷传递。电荷传递的能量达到一定程度后,击穿其间介质而进行放电的现象就是静电放电。

背景

静电放电 (ESD) 和静电过载 (EOS) 事件可能发生在任何环节，例如制造和装配工艺区域、生产测试环境、运输和现场应用等。
EOS 和 ESD 可能由用户应用中的瞬态、过大电源电流、接地不良、电源电压与地之间的低电阻路径、引脚短路以及电路内部损坏引起。如果 IC 暴露于超出数据手册规格的条件下，最终可能会失效。在数据手册规格范围内工作时，组件的内部条件不会产生 EOS 损坏，因此只有在存在异常条件时才会发生。由于接地不当，测试和操作设备会积聚静电，这些静电会在接触 IC 时传输到 IC 中。
半导体器件包含 ESD 保护电路。为了确保其有效性和可靠性符合 JEDEC 标准，需要进行 ESD 测试以确保器件符合要求。ESD 测试主要有三种模型：人体放电模型 (HBM)、带电器件放电模型 (CDM) 和机器放电模型 (MM)。 ？？？LU(Latch up)
静电释放电压.png

HBM(Human Body Model，人体放电模型)

人体放电模型（HBM）是指因人体在地面走路、衣物磨擦，或其它因素，以致在人体上累积了相当数量的静电荷，当人体碰触到IC时，静电便会经由IC的脚位而进入IC内，再经由IC放电到接地端(ground)。
HBM放电情形.png
HBM 模型模拟人体放电引起的 ESD。人体被认为是 ESD 的主要来源。人们行走时会产生一些电能，并将其释放到地面。每走一步都会积累电荷，其形式如下：

ΔV/Δt=nΔq/C\Delta V/\Delta t = n \Delta q/C

其中，n 为每秒步数，C 为人体电容。考虑绝缘地板上的典型情况，人每走一步，电压 ΔV 增加 300 V，10 秒内达到约 3 kV。（注意：会发生一些电荷泄漏。）
对于人体放电模型 (HBM) 测试，有一个简单的串联 RC 网络来模拟人体放电。使用一个 1 MΩ 电阻对一个 100 pF 电容充电。使用一个 1.5 kΩ 电阻进行放电。人体放电模型 (HBM) 事件的破坏性最强，上升时间较快。因此，需要快速上升时间脉冲来更精确地模拟人体放电事件。
放电电流 i (t) 定义为：

接口ESD保护电路

ESD防护电路是为了防止静电放电（Electro Static Discharge，简称 ESD）对电子设备和电路造成损害而设计的电路。静电放电通常是由静电荷积累和快速放电所引起的，当人体或其他物体（如开关浪涌、雷击浪涌等）与电子元件接触时，静电放电可能产生上千或万伏的电压，这会对敏感的电子元件（如通信接口，集成IC等）造成不可修复的损伤。

ESD防护电路常使用TVS管（瞬态电压抑制二极管）或者ESD管（静电放电二极管）设计，TVS管常用于输入端的浪涌抑制或输出端的电压抑制和保护，要求电容值高，适用于高电压大电流场合，如电源的输入端保护‌。‌ESD管常用于输入输出端接口电路、要求寄生电容值低(一般1～3.5pF)，静电敏感器件或静电敏感局部电路，适用于超高频低电压小电流的场合，如高速信号传输线等‌。
TVS管也属于ESD管的一种。

TVS管 选型总结

  • 确定工作电压范围，确保其工作电压高于正常工作电压，低于电路中可能承受的最大电压；
  • 反向击穿电压（VBR）比电路工作电压高20%～30%；
  • 反向截止电压（VRWN）要大于被保护电路的正常工作电压，最好高于主控芯片的典型工作电压；
  • 最大钳位电压（VC）应小于被保护电路的损坏电压，最好低于主控芯片额定工作电压的上限值，以免电压过高导致电路损坏；
    ESD管 选型总结
  • 确定工作电压范围及最大静电放电电压；
  • 根据电流限制和信号类型选择单向或双向的ESD管保护；
  • 选择适当的击穿电压和钳位电压；
  • 结电容(CT)选型应尽可能低，尽量保持信号质量不会下降，不能影响后级被保护电路的信号完整性；
  • 响应时间越短越好，响应时间也是ESD的重要特性;
  • ESD等级符合IEC 61000-4-2（国际电工委员会规范）的Level 4标准；

外设接口（如：USB、HDMI等经常需要插拔带金属外壳的接口）是电子设备与外部设备进行数据传输的重要部分，尤其容易受到静电放电（ESD）的影响，为了保护这些接口和内部电路，通常需要给外设接口设计上ESD防护电路。

USB接口

USB 2.0 OTG信号电路，对USB2.0而言VBUS可能达到5V，所以，需要选取的ESD保护二极管的工作电压需要达到5V或略微高于5V。正常工作中D+和D-负责传输叉分信号幅值范围在0～3.6V之间。所以，这里选择工作电压在3.6V或者更高的ESD保护二极管。根据信号类型选择单向或双向，双向的没有极性，更灵活接地或信号。

USB接口 ESD结电容(CT)建议值
USB 1.1 ＜2pF
USB 2.0 ＜1pF
USB 2.0 High-Speed ＜0.7pF
USB 3.0 ＜0.5pF
USB 3.1 Gen 2 ＜0.3pF

这里，我们选择KUU品牌的KLXES15AAA1型号ESD管(商品编号：C2892490)，工作电压为5V， ESD等级符合IEC 61000-4-2（国际电工委员会规范）的Level 4测试标准，结电容值只有0.05pF，响应时间小于1ns，漏电流＜10nA，最大钳位电压为40V，