本文旨在協(xié)助指導系統設計人員了解不同類(lèi)型的電氣超載(EOS)及其對系統的影響。雖然主要針對系統中產(chǎn)生的特定類(lèi)型電應力，但是這些信息也適用于各種場(chǎng)景。這個(gè)問(wèn)題很重要，因為如果不加以適當地保護，即使是最好的電路也會(huì )導致性能下降的情況，或者因為電氣超載而受損。

 

何謂EOS？

EOS是一個(gè)通用的術(shù)語(yǔ)，表示因為過(guò)多的電子試圖透過(guò)相應路徑進(jìn)入電路，導致系統承受過(guò)大壓力。有一點(diǎn)需要注意的是，這是一個(gè)隨功率和時(shí)間變化的函數。

 

如果我們將復雜電路看作一個(gè)消耗功率的簡(jiǎn)單組件，例如，將它視為一個(gè)電阻。在額定功率為1W的1Ω電阻上施加1.1V電壓，計算功耗的公式如下：

 

 

根據該計算可以得出，消耗的功率為1.21W。雖然電阻的額定功率為1W，但是可能存在一些余量，所以暫時(shí)不用擔心這一點(diǎn)。但也并不能夠始終如此。

 

將電壓增加到2V時(shí)會(huì )出現什么情況呢？如果功耗達到之前示例的4倍，那么電阻可能會(huì )像一個(gè)空間加熱器在很有限的時(shí)間內提高環(huán)境溫度，但是請記住這個(gè)公式：

 

 

如果將電壓增加到10V，但僅持續10毫秒(ms)呢？有趣的地方就在這里：如果不了解組件，以及設計處理組件的目的，您就無(wú)法真正了解會(huì )對該組件產(chǎn)生什么影響?，F在，我們來(lái)看整個(gè)組件系統。

 

哪些部分易受EOS影響？

一般而言，任何包含電子組件的部分都容易受到EOS影響。特別薄弱的部分是那些與外界的接口，因為它們很可能是最先接觸到靜電放電(ESD)、雷擊等的部分。我們感興趣的組件包括USB端口、示波器的模擬前端，以及最新的高性能物聯(lián)網(wǎng)(IoT)混合器充電埠等。

 

圖1：8kV時(shí)的理想接觸放電電流波形。

 

如何知道要防范哪些問(wèn)題？

雖然我們知道要保護系統免受電氣超載，但是這個(gè)術(shù)語(yǔ)太廣泛了，對于決定如何保護系統沒(méi)有任何幫助。為此，國際電工委員會(huì )(IEC)以及許多其他組織已經(jīng)展開(kāi)大量工作來(lái)弄清楚我們在現實(shí)生活中可能會(huì )遇到的EOS類(lèi)型。我們將重點(diǎn)探討IEC規范，因為它們涵蓋廣泛的市場(chǎng)應用，而與該規范相關(guān)的混亂狀況也說(shuō)明需要加以厘清。表1顯示了三項規范，定義了系統可能遇到的EOS狀況類(lèi)型。盡管本文中只對ESD做深入探討，但也會(huì )讓大家熟悉電快速瞬變(EFT)和突波。

 

圖2：符合IEC61000-4-4標準的電快速瞬變4級波形。

 

表1：IEC規范。

 

IC制造商未對芯片實(shí)施ESD保護嗎？

問(wèn)題的答案是既肯定又否定，看似并不那么令人滿(mǎn)意。沒(méi)錯，這些芯片中的保護主要用于因應制造過(guò)程中的ESD，而不是在系統通電狀態(tài)下的ESD。這一個(gè)差異非常重要，因為在放大器連接電源和沒(méi)連接電源時(shí)，其于遭受靜電時(shí)的反應截然不同。例如，內部保護二極管可消除在未供電時(shí)對組件的ESD沖擊。但是，當有電源供電時(shí)，對組件的ESD沖擊可能會(huì )使內部結構傳導的電流超過(guò)其設計承受水平。這可能導致該組件損毀，具體則由組件和電源電壓決定。

 

全球亟待解決的問(wèn)題：如何保護IC免受潛在威脅？

我希望您能夠意識到，這個(gè)挑戰涉及很多因素，無(wú)法僅以一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案套用在所有情況。以下是所涉及的因素列表，包括決定組件能否承受EOS事件的各種因素。這些因素分為兩組：我們無(wú)法控制的因素，以及可以人為控制的因素。

 

無(wú)法控制的因素：

IEC波形：ESD、EFT和突波的曲線(xiàn)各有不同，它們會(huì )以不同的方式攻擊組件的某些弱點(diǎn)。

考慮組件的制程技術(shù)：有些制程技術(shù)比其他技術(shù)更容易發(fā)生閂鎖。例如，CMOS制程容易發(fā)生閂鎖，但在許多現代制程中，可以透過(guò)精心設計和溝槽隔離等方法減輕這種危害。

考慮組件的內部結構：IC的設計方法很多，所以對一種電路有效的保護方案對另一種可能無(wú)效。例如，許多組件都有時(shí)序電路，檢測到波形夠快時(shí)，就會(huì )啟動(dòng)保護結構。這可能意味著(zhù)，如果您在ESD的位置增加更多電容，那么能夠承受ESD沖擊的組件可能無(wú)法承受這種電容沖擊。這種結果出乎意料，但認識到以下這一點(diǎn)則是非常重要的：常見(jiàn)的電路保護方法，即RC濾波器，可能會(huì )讓情況更糟。

 

圖3：IEC61000-4-5突波在8μs/20μs電流波形位置轉為正常狀態(tài)。

 

可以控制的因素：

 

PCB布局：組件離沖擊的位置越近，其電能波形就越高。這是因為當沖擊波形沿某條路徑傳播時(shí)，從傳播路徑輻射出去的電磁波(EMI)會(huì )產(chǎn)生能量損耗、這是由于路徑電阻產(chǎn)生的熱量以及與周邊導體耦合的寄生電容和電感所導致的。

保護電路：這是對組件的生存能力最有意義的部分。上述無(wú)法控制的因素將會(huì )影響我們如何設計保護方案。

利用OVP和OTT保護電路？

現在有過(guò)壓保護(OVP)和過(guò)限額(OTT)特性。我可以利用這些特性來(lái)保護電路不受高壓瞬變影響嗎？ 不能！請不要這么做。這不是個(gè)好主意。OVP和OTT特性讓組件的輸入在承受超過(guò)電源電壓的電壓時(shí)，本身不會(huì )受到損壞。依靠這些特性來(lái)保護電路不受高壓瞬變影響，就像是依靠雨靴來(lái)因應高壓清洗機一樣。雨靴只對水深不超過(guò)其高度的淺水坑有效，就像OVP和OTT只適用于比其額定值低的電壓。OVP和OTT的額定電壓比給定的供電軌電壓高幾十伏，無(wú)法抵抗8,000V的高壓。

 

如何知道保護電路是否有效？

透過(guò)結合組件知識、經(jīng)驗和測試，大致可以知道系統中應該采用哪些組件最有利。為了保證組件可控，各家制造商提供了五花八門(mén)的保護組件，在此只討論兩種經(jīng)證實(shí)能夠有效保護模擬前端的電路保護方案。以下方案假設采用一個(gè)緩沖配置的運算放大器。這被認為是最嚴格的保護測試，因為同相輸入會(huì )承受所有沖擊，除此以外，電能無(wú)處可去(安裝保護電路之前)。

 

圖4：IEC-61000-4-2測試中采用的電路。

 

設計考慮：

R1應該是一個(gè)防脈沖(厚膜)電阻，這樣在經(jīng)受高壓瞬變時(shí)不會(huì )輕易毀壞。

R1電壓噪聲與電阻值的平方根成正比，如果系統需要低噪聲，這是一個(gè)重要的考慮因素。

C1應該是一個(gè)陶瓷電容，其封裝尺寸至少為0805，以減小封裝的表面電弧。

C1至少應為X5R類(lèi)型溫度系數的電容(理想為C0G/NP0類(lèi)型)，以保持可預測的電容值。

C1內部的等效串聯(lián)電感和電阻應盡可能低，以便有效吸收沖擊。

針對給定的封裝尺寸，C1的額定電壓應盡可能高(最低100V)。

在本例中，C1的位置在R1之前，因為它建構了一個(gè)電容分壓器，其中150pF電容(如圖5所示)將ESD波形放電到系統中，這樣在放大器經(jīng)受波形之前，能量已經(jīng)先分流。

 

圖5：透過(guò)在模擬輸入端配置低通濾波器實(shí)現輸入保護。

 

表2：RC網(wǎng)絡(luò )保護方案。

 

值得注意的是，雖然這種前端保護方法并沒(méi)有得到電容制造商的認可，但在針對放大器的數百次測試中證明是有效的。ESD測試曲線(xiàn)(如下所述)僅在有限范圍的電容產(chǎn)品上進(jìn)行過(guò)測試，因此，如果使用不同的電容產(chǎn)品，需要先表征其因應沖擊的特性，例如透過(guò)測量經(jīng)受ESD沖擊之前和之后的電容和等效串聯(lián)電阻的方法，這一點(diǎn)非常重要。該電容組件應保持容值穩定，并且在受沖擊后，始終在直流(DC)下保持開(kāi)路狀態(tài)。

 

設計考慮：

與RC網(wǎng)絡(luò )相同：R1應能承受脈沖，但可能需要考慮噪聲。

應該指明D1需要滿(mǎn)足的標準。有些可能只涵蓋ESD，其他的則涵蓋EFT和突波標準。

D1應該是雙向的，這樣它就可以同時(shí)因應正負沖擊。

D1反向工作電壓應盡可能高，同時(shí)仍需透過(guò)必要的測試。如果過(guò)低，在正常的系統電壓電平下可能出現漏電流；如果過(guò)高，則可能無(wú)法在系統損壞之前做出反應。

TVS二極管泄漏將會(huì )降低性能？

 

但是，我聽(tīng)說(shuō)TVS二極管經(jīng)常發(fā)生泄漏，這會(huì )降低性能。

 

在模擬電子領(lǐng)域，大家都知道TVS二極管容易發(fā)生泄漏，因此不能用于精密模擬前端。但有時(shí)情況不是這樣，許多產(chǎn)品數據手冊中的泄漏電流 < 100µA，對于大多數模擬產(chǎn)品這個(gè)值是相當高的。對于這個(gè)數值的問(wèn)題在于，它是在最高溫度(150°C)和最大工作電壓下的取值。在這種情況下，二極管極易泄漏。超過(guò)85°C，所有二極管的泄漏電流會(huì )更高。只要選擇反向工作電壓更高的TVS二極管，且不期望在85°C以上實(shí)現極低漏電流，則有望獲得更低的泄漏電流。

 

圖6：透過(guò)在模擬輸入端配置TVS二極管實(shí)現輸入保護。

 

表3：TVS網(wǎng)絡(luò )保護方案。

 

如果您選擇了合適的TVS，泄漏電流值可能低到讓您驚訝。圖7所示為測量12個(gè)相同產(chǎn)品型號的TVS二極管時(shí)獲得的泄漏資料。

 

圖7：36V雙向TVS二極管——Bournes T36SC的泄漏值，在TIA中采用ADA4530評估板與屏蔽，以及在25℃時(shí)采用10G電阻。

 

在測量的12個(gè)TVS二極管中，DC偏置電壓為5V時(shí)，最嚴重的泄漏量為7pA。這比最壞情況下數據表的值要好千百萬(wàn)倍。當然，不同批次的TVS二極管在泄漏方面存在差異，但這至少可以說(shuō)明預期的泄漏幅度。如果系統承受的溫度不超過(guò)85°C，TVS二極管可能是個(gè)不錯的選擇。只要記住，如果您選擇的產(chǎn)品不是本文所述的測試產(chǎn)品，請表征其泄漏特性。對一個(gè)組件或制造商而言正確的結論，對其他組件或制造商可能并不正確。

 

測試結果：

采用IEC ESD標準對一系列運算放大器進(jìn)行了測試。表4顯示不同保護方案分別適合保護的組件。雖然ESD標準規定在±8kV要保證經(jīng)受三次沖擊，但所有受測試的方案都通過(guò)了在±9kV時(shí)經(jīng)受100次沖擊的測試，以確保提供足夠的保護余量。

 

表4：通過(guò)IEC-61000-4-2測試的組件列表及其各自的保護配置。

 

IEC標準要求透過(guò)將兩個(gè)470kΩ電阻與30pF電容并聯(lián)，使ESD電源的接地端與放大器的接地端連接在一起。這項測試的設定則更為嚴格，它將ESD電源的接地端與放大器的接地端直接相連。這些結果也在IEC接地耦合方案中得到了驗證，而可以進(jìn)一步增強產(chǎn)品的可信賴(lài)度。請記住，由于放大器的內部結構存在很大不同，對列表中的組件適用的數據可能適用，也可能不適用于其他組件。如果使用其他組件或其他保護組件，建議對其進(jìn)行全面測試。

 

使用的保護組件：

電阻：Panasonic 0805 ERJ-P6系列

電容：Yageo 0805 100V C0G/NPO

TVS二極管：Bourns CDSOD323-T36SC(雙向、36V、極低漏電流，符合ESD、EFT和突波標準)

ESD壓敏電阻：Bourns MLA系列、0603 26V

Bonus組件：ESD壓敏電阻

TVS二極管性能良好，可以耐受無(wú)數次的沖擊。這對于EFT和突波保護而言非常不錯，但是，如果您只需要ESD保護，那么不妨看看ESD壓敏電阻，在達到某個(gè)電壓值之前，它們都用作高壓電阻，達到該電壓值之后，它們就轉變?yōu)榈蛪弘娮?，可以分流掉壓敏電阻中的電能?/div>