RF电路ESD防护设计说明
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45
静电敏感器件的选用
优选防静电能力强的RF器件
1000V（HBM） 200V（MM） 500V（CDM） 中低频应用应优选Si双极器件
禁止选用防静电能力小于100V（HBM、 MM and CDM同时满足）的器件
46
ESD防护设计方法和技巧
ESD防护电路设计总体原则：
对ESD信号来说，接口输入点和地之间 的并联阻抗要尽量小，而接口输入点和被防 护器件之间的串联阻抗要尽量大；对工作信 号来说，接口输入点和地之间的并联阻抗要 尽量大，而接口输入点和被防护器件之间的 串联阻抗要尽量小。
RF电路ESD防护设计
1
目录
➢ESD概述 ➢ESD防护设计方法 ➢过压防护原理和防护器件介绍 ➢RF电路ESD防护设计技术 ➢ESD防护实验 ➢案例分析
2
ESD概述
基本概念 半导体器件静电敏感特性 ESD危害及损坏机理 ESD防护控制手段
3
基本概念
Electrostatic Electrostatic Discharge（ESD）
74
MLV
±3500V良好, ±4000V损坏
75
TVS
±3500V良好, ±4000V损坏
CH1 S 21 &M log MAG
PRm Cor
MARKER 1 200 MHz
1
2 3
5 dB/
26 Nov 2003 12:15:16
REF 0 dB
1_:-.2021 dB
200.000 000 MHz
55
降低防护电路对RF信号质量的影响
降低防护电路的等效结电容
提高防护器件的导通电压
结电容、寄生串联电感（引线电感、布 线电感）、箝位电压（或导通电压）、反向漏 电流、反向耐压、最大峰值电流、功率容量
56
降低结电容方法
二极管偏置法
57
降低结电容方法
二极管串联法
58
降低结电容方法
二极管串联并加偏置法
64
提高导通电压方法
TVS管或MLV法
中低频应用 击穿电压在几伏到几十伏之间可随意 选择 残压较高
65
提高导通电压方法
二极管串联电容法
此防护电路用于RF放大器SGA6489的输入端时，电容C1和C2等于 0.02uF，其抗静电能力达到2500V；电容C1和C2等于0.47uF，其抗静 电能力达到4000V。（RF压缩在1GHz仿真，实际测试约为39dBm。）
一般：数十~数百pF， EOS和中低频电路的ESD防护
低达1pF
(低电压、小能量)
小：数pF~数十pF， ESD（高频、小能量） 可低于1pF
箝位 负阻 箝位 箝位
大：数十~数百pF
EOS（大能量）
负阻
低电容聚合物 ESD抑制器
R/L/C滤波衰减 网络
快：ps~ns级 快
极小：数fF~数pF 不考虑
ESD防护电路应尽可能靠近RF接口，而被保护的器 件应尽量远离RF接口
48
ESD防护设计方法和技巧
ESD防护电路应有双向防护能力 ESD防护电路的开启电压（触发电压）和箝
位电压（或二极管导通电压）应大于RF信号 可能的最大峰值电压，同时要远远小于被防 护器件的ESD阈值电压 ESD防护电路的响应时间要小于被保护器件 的响应时间 ESD防护电路要有在短时间内释放较大的静 电能量而不自损坏的能力
防护设计 结构，工艺，电路
13
ESD防护设计方法
ESD测试标准 ESD防护设计思想和流程 结构防护设计 工艺防护设计 电路防护设计
14
ESD测试标准
IEC61000-4-2（GB17626-2） Electrostatic discharge immunity test
外壳 接触放电 空气放电
ESD防护设计方法和技巧
串联电感的处理
51
ESD防护设计方法和技巧
串联电感的处理
52
ESD防护设计方法和技巧
泻放电容改善寄生电感对ESD防护的影响
53
ESD防护设计方法和技巧
环行器、耦合器、高频信号传输变压器、高 频隔直电容等器件的隔离特性的有效利用
54
ESD防护设计方法和技巧
ESD防护电路的防护能力与选用的防护器 件、被防护器件的ESD敏感度、电路结构 形式、布线等因素密切相关，一般无法 直接单独确定一个防护电路的防护能力， 必须把防护电路和被防护的具体电路作 为一个整体并按照标准IEC61000-4-2的 测试方法进行测试，以确定一个实际电 路的防护效果。
肖特基二极管（低频整流型功率管）
较低的正向压降（0.2V至0.3V），很小的结电 容，位垒薄
31
Polymer ESD抑制器工作原理
压敏介质 ：高分子聚合物（极低容值）
32
R、L、C网络工作原理
电阻衰减网络 能量衰减
LC滤波器 带外能量反射/衰减
33
防护器件特性对比
防护器件类别 普通MOV MLV
5
半导体器件静电敏感性
尺寸（更加细小精密） 集成度（更加复杂） 材料（更加静电敏感）
6
半导体器件静电敏感性
(Device) (W afer)
7
高频器件静电敏感特性
尺寸√
尺寸小，结薄
材料工艺√
GaAs，SiGe，InP，InGaP，Si FET，HBT，HEMT，BiCMOS，BJT
集成度χ
66
RF接口ESD防护电路综合设计法
MLV、各种二极管、R/L/C 二极管串并联、匹配设计、滤波、隔离、衰减
67
ESD防护实验
ESD防护实验方案 ESD防护实验数据分析 ESD防护实验总结
68
ESD防护实验方案
ESD防护电路对RF信号质量的影响测试电路
69
ESD防护实验方案
ESD防护效果测试电路
ESD（高频、小能量）
负阻箝位
从低频到高频电路的EOS和 ESD防护（小能量）
滤波、衰减
34
接口防护器件结电容要求
35
接口防护器件结电容要求
36
RF接口适用的ESD防护器件
低容值快速开关二极管√ 低容值TVS管√ R、L、C网络√ 低容值MLV χ 低容值聚合物ESD抑制器χ
37
低容值防护器件介绍
26
MOV（MLV）工作原理
27
TSS工作原理
阻断区 雪崩区 负阻区 低阻通态区
28
GDT工作原理
击穿电压 续流维持电压（20～50V ）
29
TVS工作原理
30
二极管工作原理
快速开关二极管 稳压二极管 PIN二极管（低频功率型 ）
高击穿电压、速度快、电容量很小、PN结面 积小、结薄
快速开关二极管
PHILIPS TOSHIBA NEC INFINEON ON SEMI
38
低容值防护器件介绍
TVS
CAMD （CM12xx） PROTEK （POSTxxLC ）
39
低容值防护器件介绍
MLV
AVX EPCOS LITTELFUSE
40
低容值防护器件介绍
聚合物ESD抑制器
20
电路防护设计
静电敏感器件的选用 设计端口ESD防护电路 单板、产品安全测试方法
Do you know?
21
过压防护原理和防护器件介绍
过压防护原理 过压防护器件工作机理 防护器件特性对比 接口防护器件结电容要求 低容值防护器件介绍
22
过压防护原理
高电压------大电流 电压箝位 电流泻放 能量反射衰减
响应时间 慢：数十ns~us级 快：ps~ns级
GDT
慢：数百ns~us级
TVS
快：ps~ns级
高速开关二极管 快：ps~ns级
TSS
快：ps~ns级
结电容
主要应用
保护方式
大：数百~数万pF
EOS（AC、雷电）
箝位
一般：数十~数百pF， EOS和中低频电路的ESD防护
低达几pF
（中等能量）
小：数pF~数百pF， 雷电（大能量） 可低于0.5pF
REF 0 dB
4_:-1.9088 dB
3 000.000 000 MHz
1_:-.0290 dB 450 MHz
2_:-.0723 dB 1 GHz
3_:-.4804 dB
4
2 GHz
START .030 000 MHz
STOP 6 000.000 000 MHz
73
MLV
±500V良好, ±1000V损坏
接触放电，击穿介质放电 ESSD（Electrostatic Sensitive Devices） ESDS（Electrostatic Discharge
Sensitivity）
4
ESD模型
人体模型 HBM 人体金属模型 HBMM 机器模型 MM 充电器件模型 CDM 场感应模型 FIM（FICDM） 电缆放电事件 CDE
70
ESD防护实验方案
ESD残压测试
71
ESD防护实验数据分析
MLV TVS 开关二极管 聚合物ESD抑制器 RLC衰减或滤波网络
72
MLV
±500V良好, ±1000V损坏
CH1 S 21 &M log MAG
PRm Cor
MARKER 4 3 GHz
1
2
5 dB/ 3
26 Nov 2003 18:05:54
8
ESD危害
器件损伤 硬损伤，软损伤
EMI 功能故障，系统跑飞
污染（静电吸附）
9
ESD损坏器件机理
Fields..voltage 介质击穿
Joule heating..energy 热熔化
10
ESD损伤器件机理
介质击穿
11
ESD损伤器件机理
热熔化
12
ESD防护控制手段
过程控制 EPA（ECA） 环境，人员，材料 接地
测试验证，改进优化
18
结构防护设计
布板（元件位置） 接地（金属部件，单板，设备） 产品材料应用（塑料材料的防静电处理） 屏蔽（接口，开窗，开关，键盘，敏感单元） 增加放电路径长度 包装材料
19
工艺防护设计
单板布线（边缘，屏蔽） 标识，标签（单板，产品，过程） 制造工具及工序，防静电处理 辅助材料 接地（装备，仪器，工具） 放电处理
43
RF接口ESD防护设计难点
ESD信号的频谱特征
来自百度文库44
RF电路ESD防护设计的一般要求
整机、单板、组件外壳的空气和接触放 电：±8000V
整机、单板、组件外部RF接口的接触放 电：±4000V，不得低于±2000V；内部 RF接口的接触放电：±2000V，不得低 于±1500V
无线终端外部接口的接触放电：±4000V
23
过压防护器件
MOV（MLV） TSS GDT TVS 二极管 ESD/EMI专用防护器件 R、L、C网络
非线性器件 线性器件
24
过压防护器件特性
工作电压 击穿电压 箝位电压 维持电压/电流 通流容量/功耗 结电容 响应时间 极性 寿命
25
MOV（MLV）工作原理
47
ESD防护设计方法和技巧
应避免静电敏感器件和静电敏感引脚直接应用在RF 电缆连接端口，RF插座端口应设计ESD防护电路， RF电缆在插装前先进行放电处理
RF接口的芯线应处于外物不易触及的状态，如RF插 座和电缆端头设置静电防护帽
静电敏感器件、及其高静电敏感引脚、高静电敏感 端口应该避免设计直接的测试点，或测试点远离这 些引脚，或采用间接测试方法
59
降低结电容方法
二极管反向串联和偏置法提高残压
60
降低结电容方法
射 频 电 路 匹 配 法
61
提高导通电压方法
二极管偏置法
62
提高导通电压方法
二极管串联法
63
提高导通电压方法
开关二极管导通电压随温度的升高而降低
结温25℃和150℃相比，BAV99单二极管的限幅点将由7dBm
（RF峰值0.7V）降到4dBm （RF峰值0.5V）左右 。
接口
15
ESD测试标准
ESD测试放电波形
静电放电枪（ESD Gun）模型
16
ESD防护设计思想
消除静电源 切断放电通路（隔离静电源） 控制放电电流
端口防护：
在端口最近位置泻放ESD电流，阻止 ESD脉冲进入后续电路。
17
ESD防护设计流程
器件选用、防护电路设 计、结构设计、工艺设 计、材料选择
49
ESD防护设计方法和技巧
在电路系统信号指标分配和布板许可的情 况下，应优选R/L/C等无源元件组成的滤 波或衰减网络形成ESD防护电路，提高电 路的可靠性
对于工作信号在1GHz以上的RF接口，建 议优先采用LC高通滤波器进行ESD防护
优选低容值防护器件 优选大电流容量器件（如电感）
50
2_:-.7902 dB 450 MHz
3_:-2.5925 dB 1 GHz
Littlefuse （PGB） COOPER （ESDA）
41
RF电路ESD防护设计技术
RF接口ESD防护设计难点 RF电路ESD防护设计的一般要求 ESD防护设计方法和技巧 降低防护电路对RF信号质量的影响
42
RF接口ESD防护设计难点
阻抗匹配 结电容 寄生电感
限幅 导通电压
ESD信号的宽频谱特征
静电敏感器件的选用
优选防静电能力强的RF器件
1000V（HBM） 200V（MM） 500V（CDM） 中低频应用应优选Si双极器件
禁止选用防静电能力小于100V（HBM、 MM and CDM同时满足）的器件
46
ESD防护设计方法和技巧
ESD防护电路设计总体原则：
对ESD信号来说，接口输入点和地之间 的并联阻抗要尽量小，而接口输入点和被防 护器件之间的串联阻抗要尽量大；对工作信 号来说，接口输入点和地之间的并联阻抗要 尽量大，而接口输入点和被防护器件之间的 串联阻抗要尽量小。
RF电路ESD防护设计
1
目录
➢ESD概述 ➢ESD防护设计方法 ➢过压防护原理和防护器件介绍 ➢RF电路ESD防护设计技术 ➢ESD防护实验 ➢案例分析
2
ESD概述
基本概念 半导体器件静电敏感特性 ESD危害及损坏机理 ESD防护控制手段
3
基本概念
Electrostatic Electrostatic Discharge（ESD）
74
MLV
±3500V良好, ±4000V损坏
75
TVS
±3500V良好, ±4000V损坏
CH1 S 21 &M log MAG
PRm Cor
MARKER 1 200 MHz
1
2 3
5 dB/
26 Nov 2003 12:15:16
REF 0 dB
1_:-.2021 dB
200.000 000 MHz
55
降低防护电路对RF信号质量的影响
降低防护电路的等效结电容
提高防护器件的导通电压
结电容、寄生串联电感（引线电感、布 线电感）、箝位电压（或导通电压）、反向漏 电流、反向耐压、最大峰值电流、功率容量
56
降低结电容方法
二极管偏置法
57
降低结电容方法
二极管串联法
58
降低结电容方法
二极管串联并加偏置法
64
提高导通电压方法
TVS管或MLV法
中低频应用 击穿电压在几伏到几十伏之间可随意 选择 残压较高
65
提高导通电压方法
二极管串联电容法
此防护电路用于RF放大器SGA6489的输入端时，电容C1和C2等于 0.02uF，其抗静电能力达到2500V；电容C1和C2等于0.47uF，其抗静 电能力达到4000V。（RF压缩在1GHz仿真，实际测试约为39dBm。）
一般：数十~数百pF， EOS和中低频电路的ESD防护
低达1pF
(低电压、小能量)
小：数pF~数十pF， ESD（高频、小能量） 可低于1pF
箝位 负阻 箝位 箝位
大：数十~数百pF
EOS（大能量）
负阻
低电容聚合物 ESD抑制器
R/L/C滤波衰减 网络
快：ps~ns级 快
极小：数fF~数pF 不考虑
ESD防护电路应尽可能靠近RF接口，而被保护的器 件应尽量远离RF接口
48
ESD防护设计方法和技巧
ESD防护电路应有双向防护能力 ESD防护电路的开启电压（触发电压）和箝
位电压（或二极管导通电压）应大于RF信号 可能的最大峰值电压，同时要远远小于被防 护器件的ESD阈值电压 ESD防护电路的响应时间要小于被保护器件 的响应时间 ESD防护电路要有在短时间内释放较大的静 电能量而不自损坏的能力
防护设计 结构，工艺，电路
13
ESD防护设计方法
ESD测试标准 ESD防护设计思想和流程 结构防护设计 工艺防护设计 电路防护设计
14
ESD测试标准
IEC61000-4-2（GB17626-2） Electrostatic discharge immunity test
外壳 接触放电 空气放电
ESD防护设计方法和技巧
串联电感的处理
51
ESD防护设计方法和技巧
串联电感的处理
52
ESD防护设计方法和技巧
泻放电容改善寄生电感对ESD防护的影响
53
ESD防护设计方法和技巧
环行器、耦合器、高频信号传输变压器、高 频隔直电容等器件的隔离特性的有效利用
54
ESD防护设计方法和技巧
ESD防护电路的防护能力与选用的防护器 件、被防护器件的ESD敏感度、电路结构 形式、布线等因素密切相关，一般无法 直接单独确定一个防护电路的防护能力， 必须把防护电路和被防护的具体电路作 为一个整体并按照标准IEC61000-4-2的 测试方法进行测试，以确定一个实际电 路的防护效果。
肖特基二极管（低频整流型功率管）
较低的正向压降（0.2V至0.3V），很小的结电 容，位垒薄
31
Polymer ESD抑制器工作原理
压敏介质 ：高分子聚合物（极低容值）
32
R、L、C网络工作原理
电阻衰减网络 能量衰减
LC滤波器 带外能量反射/衰减
33
防护器件特性对比
防护器件类别 普通MOV MLV
5
半导体器件静电敏感性
尺寸（更加细小精密） 集成度（更加复杂） 材料（更加静电敏感）
6
半导体器件静电敏感性
(Device) (W afer)
7
高频器件静电敏感特性
尺寸√
尺寸小，结薄
材料工艺√
GaAs，SiGe，InP，InGaP，Si FET，HBT，HEMT，BiCMOS，BJT
集成度χ
66
RF接口ESD防护电路综合设计法
MLV、各种二极管、R/L/C 二极管串并联、匹配设计、滤波、隔离、衰减
67
ESD防护实验
ESD防护实验方案 ESD防护实验数据分析 ESD防护实验总结
68
ESD防护实验方案
ESD防护电路对RF信号质量的影响测试电路
69
ESD防护实验方案
ESD防护效果测试电路
ESD（高频、小能量）
负阻箝位
从低频到高频电路的EOS和 ESD防护（小能量）
滤波、衰减
34
接口防护器件结电容要求
35
接口防护器件结电容要求
36
RF接口适用的ESD防护器件
低容值快速开关二极管√ 低容值TVS管√ R、L、C网络√ 低容值MLV χ 低容值聚合物ESD抑制器χ
37
低容值防护器件介绍
26
MOV（MLV）工作原理
27
TSS工作原理
阻断区 雪崩区 负阻区 低阻通态区
28
GDT工作原理
击穿电压 续流维持电压（20～50V ）
29
TVS工作原理
30
二极管工作原理
快速开关二极管 稳压二极管 PIN二极管（低频功率型 ）
高击穿电压、速度快、电容量很小、PN结面 积小、结薄
快速开关二极管
PHILIPS TOSHIBA NEC INFINEON ON SEMI
38
低容值防护器件介绍
TVS
CAMD （CM12xx） PROTEK （POSTxxLC ）
39
低容值防护器件介绍
MLV
AVX EPCOS LITTELFUSE
40
低容值防护器件介绍
聚合物ESD抑制器
20
电路防护设计
静电敏感器件的选用 设计端口ESD防护电路 单板、产品安全测试方法
Do you know?
21
过压防护原理和防护器件介绍
过压防护原理 过压防护器件工作机理 防护器件特性对比 接口防护器件结电容要求 低容值防护器件介绍
22
过压防护原理
高电压------大电流 电压箝位 电流泻放 能量反射衰减
响应时间 慢：数十ns~us级 快：ps~ns级
GDT
慢：数百ns~us级
TVS
快：ps~ns级
高速开关二极管 快：ps~ns级
TSS
快：ps~ns级
结电容
主要应用
保护方式
大：数百~数万pF
EOS（AC、雷电）
箝位
一般：数十~数百pF， EOS和中低频电路的ESD防护
低达几pF
（中等能量）
小：数pF~数百pF， 雷电（大能量） 可低于0.5pF
REF 0 dB
4_:-1.9088 dB
3 000.000 000 MHz
1_:-.0290 dB 450 MHz
2_:-.0723 dB 1 GHz
3_:-.4804 dB
4
2 GHz
START .030 000 MHz
STOP 6 000.000 000 MHz
73
MLV
±500V良好, ±1000V损坏
接触放电，击穿介质放电 ESSD（Electrostatic Sensitive Devices） ESDS（Electrostatic Discharge
Sensitivity）
4
ESD模型
人体模型 HBM 人体金属模型 HBMM 机器模型 MM 充电器件模型 CDM 场感应模型 FIM（FICDM） 电缆放电事件 CDE
70
ESD防护实验方案
ESD残压测试
71
ESD防护实验数据分析
MLV TVS 开关二极管 聚合物ESD抑制器 RLC衰减或滤波网络
72
MLV
±500V良好, ±1000V损坏
CH1 S 21 &M log MAG
PRm Cor
MARKER 4 3 GHz
1
2
5 dB/ 3
26 Nov 2003 18:05:54
8
ESD危害
器件损伤 硬损伤，软损伤
EMI 功能故障，系统跑飞
污染（静电吸附）
9
ESD损坏器件机理
Fields..voltage 介质击穿
Joule heating..energy 热熔化
10
ESD损伤器件机理
介质击穿
11
ESD损伤器件机理
热熔化
12
ESD防护控制手段
过程控制 EPA（ECA） 环境，人员，材料 接地
测试验证，改进优化
18
结构防护设计
布板（元件位置） 接地（金属部件，单板，设备） 产品材料应用（塑料材料的防静电处理） 屏蔽（接口，开窗，开关，键盘，敏感单元） 增加放电路径长度 包装材料
19
工艺防护设计
单板布线（边缘，屏蔽） 标识，标签（单板，产品，过程） 制造工具及工序，防静电处理 辅助材料 接地（装备，仪器，工具） 放电处理
43
RF接口ESD防护设计难点
ESD信号的频谱特征
来自百度文库44
RF电路ESD防护设计的一般要求
整机、单板、组件外壳的空气和接触放 电：±8000V
整机、单板、组件外部RF接口的接触放 电：±4000V，不得低于±2000V；内部 RF接口的接触放电：±2000V，不得低 于±1500V
无线终端外部接口的接触放电：±4000V
23
过压防护器件
MOV（MLV） TSS GDT TVS 二极管 ESD/EMI专用防护器件 R、L、C网络
非线性器件 线性器件
24
过压防护器件特性
工作电压 击穿电压 箝位电压 维持电压/电流 通流容量/功耗 结电容 响应时间 极性 寿命
25
MOV（MLV）工作原理
47
ESD防护设计方法和技巧
应避免静电敏感器件和静电敏感引脚直接应用在RF 电缆连接端口，RF插座端口应设计ESD防护电路， RF电缆在插装前先进行放电处理
RF接口的芯线应处于外物不易触及的状态，如RF插 座和电缆端头设置静电防护帽
静电敏感器件、及其高静电敏感引脚、高静电敏感 端口应该避免设计直接的测试点，或测试点远离这 些引脚，或采用间接测试方法
59
降低结电容方法
二极管反向串联和偏置法提高残压
60
降低结电容方法
射 频 电 路 匹 配 法
61
提高导通电压方法
二极管偏置法
62
提高导通电压方法
二极管串联法
63
提高导通电压方法
开关二极管导通电压随温度的升高而降低
结温25℃和150℃相比，BAV99单二极管的限幅点将由7dBm
（RF峰值0.7V）降到4dBm （RF峰值0.5V）左右 。
接口
15
ESD测试标准
ESD测试放电波形
静电放电枪（ESD Gun）模型
16
ESD防护设计思想
消除静电源 切断放电通路（隔离静电源） 控制放电电流
端口防护：
在端口最近位置泻放ESD电流，阻止 ESD脉冲进入后续电路。
17
ESD防护设计流程
器件选用、防护电路设 计、结构设计、工艺设 计、材料选择
49
ESD防护设计方法和技巧
在电路系统信号指标分配和布板许可的情 况下，应优选R/L/C等无源元件组成的滤 波或衰减网络形成ESD防护电路，提高电 路的可靠性
对于工作信号在1GHz以上的RF接口，建 议优先采用LC高通滤波器进行ESD防护
优选低容值防护器件 优选大电流容量器件（如电感）
50
2_:-.7902 dB 450 MHz
3_:-2.5925 dB 1 GHz
Littlefuse （PGB） COOPER （ESDA）
41
RF电路ESD防护设计技术
RF接口ESD防护设计难点 RF电路ESD防护设计的一般要求 ESD防护设计方法和技巧 降低防护电路对RF信号质量的影响
42
RF接口ESD防护设计难点
阻抗匹配 结电容 寄生电感
限幅 导通电压
ESD信号的宽频谱特征