【導(dǎo)讀】本文針對(duì)系統(tǒng)中產(chǎn)生的特定類(lèi)型電應(yīng)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?yàn)槿绻患右赃m當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)，即使是最好的電路也會(huì)導(dǎo)致性能下降的情況，或者因?yàn)殡姎獬d而受損。
本文旨在協(xié)助指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解不同類(lèi)型的電氣超載(EOS)及其對(duì)系統(tǒng)的影響。雖然主要針對(duì)系統(tǒng)中產(chǎn)生的特定類(lèi)型電應(yīng)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?yàn)槿绻患右赃m當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)，即使是最好的電路也會(huì)導(dǎo)致性能下降的情況，或者因?yàn)殡姎獬d而受損。
何謂EOS？
EOS是一個(gè)通用的術(shù)語(yǔ)，表示因?yàn)檫^(guò)多的電子試圖透過(guò)相應(yīng)路徑進(jìn)入電路，導(dǎo)致系統(tǒng)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(shù)。
如果我們將復(fù)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(jì)算功耗的公式如下：
根據(jù)該計(jì)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(dān)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(xiàn)什么情況呢？如果功耗達(dá)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(nèi)提高環(huán)境溫度，但是請(qǐng)記住這個(gè)公式：
如果將電壓增加到10V，但僅持續(xù)10毫秒(ms)呢？有趣的地方就在這里：如果不了解組件，以及設(shè)計(jì)處理組件的目的，您就無(wú)法真正了解會(huì)對(duì)該組件產(chǎn)生什么影響。現(xiàn)在，我們來(lái)看整個(gè)組件系統(tǒng)。
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?yàn)樗鼈兒芸赡苁亲钕冉佑|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(hù)系統(tǒng)免受電氣超載，但是這個(gè)術(shù)語(yǔ)太廣泛了，對(duì)于決定如何保護(hù)系統(tǒng)沒(méi)有任何幫助。為此，國(guó)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?cè)诂F(xiàn)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(guī)范，因?yàn)樗鼈兒w廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，而與該規(guī)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(xiàng)規(guī)范，定義了系統(tǒng)可能遇到的EOS狀況類(lèi)型。盡管本文中只對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的電快速瞬變4級(jí)波形。
表1：IEC規(guī)范。
IC制造商未對(duì)芯片實(shí)施ESD保護(hù)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(cuò)，這些芯片中的保護(hù)主要用于因應(yīng)制造過(guò)程中的ESD，而不是在系統(tǒng)通電狀態(tài)下的ESD。這一個(gè)差異非常重要，因?yàn)樵诜糯笃鬟B接電源和沒(méi)連接電源時(shí)，其于遭受靜電時(shí)的反應(yīng)截然不同。例如，內(nèi)部保護(hù)二極管可消除在未供電時(shí)對(duì)組件的ESD沖擊。但是，當(dāng)有電源供電時(shí)，對(duì)組件的ESD沖擊可能會(huì)使內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的電流超過(guò)其設(shè)計(jì)承受水平。這可能導(dǎo)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(hù)IC免受潛在威脅？
我希望您能夠意識(shí)到，這個(gè)挑戰(zhàn)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(xiàn)代制程中，可以透過(guò)精心設(shè)計(jì)和溝槽隔離等方法減輕這種危害。
考慮組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：IC的設(shè)計(jì)方法很多，所以對(duì)一種電路有效的保護(hù)方案對(duì)另一種可能無(wú)效。例如，許多組件都有時(shí)序電路，檢測(cè)到波形夠快時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)保護(hù)結(jié)構(gòu)。這可能意味著，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(jié)果出乎意料，但認(rèn)識(shí)到以下這一點(diǎn)則是非常重要的：常見(jiàn)的電路保護(hù)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(zhuǎn)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?yàn)楫?dāng)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(dǎo)體耦合的寄生電容和電感所導(dǎo)致的。
保護(hù)電路：這是對(duì)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?nèi)绾卧O(shè)計(jì)保護(hù)方案。
利用OVP和OTT保護(hù)電路？
現(xiàn)在有過(guò)壓保護(hù)(OVP)和過(guò)限額(OTT)特性。我可以利用這些特性來(lái)保護(hù)電路不受高壓瞬變影響嗎？ 不能！請(qǐng)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(hù)電路不受高壓瞬變影響，就像是依靠雨靴來(lái)因應(yīng)高壓清洗機(jī)一樣。雨靴只對(duì)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(hù)電路是否有效？
透過(guò)結(jié)合組件知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試，大致可以知道系統(tǒng)中應(yīng)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(hù)組件，在此只討論兩種經(jīng)證實(shí)能夠有效保護(hù)模擬前端的電路保護(hù)方案。以下方案假設(shè)采用一個(gè)緩沖配置的運(yùn)算放大器。這被認(rèn)為是最嚴(yán)格的保護(hù)測(cè)試，因?yàn)橥噍斎霑?huì)承受所有沖擊，除此以外，電能無(wú)處可去(安裝保護(hù)電路之前)。
圖4：IEC-61000-4-2測(cè)試中采用的電路。
設(shè)計(jì)考慮：
R1應(yīng)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(tǒng)需要低噪聲，這是一個(gè)重要的考慮因素。
C1應(yīng)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(yīng)為X5R類(lèi)型溫度系數(shù)的電容(理想為C0G/NP0類(lèi)型)，以保持可預(yù)測(cè)的電容值。
C1內(nèi)部的等效串聯(lián)電感和電阻應(yīng)盡可能低，以便有效吸收沖擊。
針對(duì)給定的封裝尺寸，C1的額定電壓應(yīng)盡可能高(最低100V)。
在本例中，C1的位置在R1之前，因?yàn)樗?gòu)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(tǒng)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(xiàn)輸入保護(hù)。
表2：RC網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案。
值得注意的是，雖然這種前端保護(hù)方法并沒(méi)有得到電容制造商的認(rèn)可，但在針對(duì)放大器的數(shù)百次測(cè)試中證明是有效的。ESD測(cè)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(cè)試，因此，如果使用不同的電容產(chǎn)品，需要先表征其因應(yīng)沖擊的特性，例如透過(guò)測(cè)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(yīng)保持容值穩(wěn)定，并且在受沖擊后，始終在直流(DC)下保持開(kāi)路狀態(tài)。
設(shè)計(jì)考慮：
與RC網(wǎng)絡(luò)相同：R1應(yīng)能承受脈沖，但可能需要考慮噪聲。
應(yīng)該指明D1需要滿(mǎn)足的標(biāo)準(zhǔn)。有些可能只涵蓋ESD，其他的則涵蓋EFT和突波標(biāo)準(zhǔn)。
D1應(yīng)該是雙向的，這樣它就可以同時(shí)因應(yīng)正負(fù)沖擊。
D1反向工作電壓應(yīng)盡可能高，同時(shí)仍需透過(guò)必要的測(cè)試。如果過(guò)低，在正常的系統(tǒng)電壓電平下可能出現(xiàn)漏電流；如果過(guò)高，則可能無(wú)法在系統(tǒng)損壞之前做出反應(yīng)。
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(shù)據(jù)手冊(cè)中的泄漏電流 < 100µA，對(duì)于大多數(shù)模擬產(chǎn)品這個(gè)值是相當(dāng)高的。對(duì)于這個(gè)數(shù)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(xiàn)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(xiàn)輸入保護(hù)。
表3：TVS網(wǎng)絡(luò)保護(hù)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(cè)量12個(gè)相同產(chǎn)品型號(hào)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(píng)估板與屏蔽，以及在25℃時(shí)采用10G電阻。
在測(cè)量的12個(gè)TVS二極管中，DC偏置電壓為5V時(shí)，最嚴(yán)重的泄漏量為7pA。這比最壞情況下數(shù)據(jù)表的值要好千百萬(wàn)倍。當(dāng)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(yù)期的泄漏幅度。如果系統(tǒng)承受的溫度不超過(guò)85°C，TVS二極管可能是個(gè)不錯(cuò)的選擇。只要記住，如果您選擇的產(chǎn)品不是本文所述的測(cè)試產(chǎn)品，請(qǐng)表征其泄漏特性。對(duì)一個(gè)組件或制造商而言正確的結(jié)論，對(duì)其他組件或制造商可能并不正確。
測(cè)試結(jié)果：
采用IEC ESD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一系列運(yùn)算放大器進(jìn)行了測(cè)試。表4顯示不同保護(hù)方案分別適合保護(hù)的組件。雖然ESD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在±8kV要保證經(jīng)受三次沖擊，但所有受測(cè)試的方案都通過(guò)了在±9kV時(shí)經(jīng)受100次沖擊的測(cè)試，以確保提供足夠的保護(hù)余量。
表4：通過(guò)IEC-61000-4-2測(cè)試的組件列表及其各自的保護(hù)配置。
IEC標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)測(cè)試的設(shè)定則更為嚴(yán)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(jié)果也在IEC接地耦合方案中得到了驗(yàn)證，而可以進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)品的可信賴(lài)度。請(qǐng)記住，由于放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在很大不同，對(duì)列表中的組件適用的數(shù)據(jù)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(hù)組件，建議對(duì)其進(jìn)行全面測(cè)試。
使用的保護(hù)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(biāo)準(zhǔn))
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(shù)次的沖擊。這對(duì)于EFT和突波保護(hù)而言非常不錯(cuò)，但是，如果您只需要ESD保護(hù)，那么不妨看看ESD壓敏電阻，在達(dá)到某個(gè)電壓值之前，它們都用作高壓電阻，達(dá)到該電壓值之后，它們就轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪弘娮瑁梢苑至鞯魤好綦娮柚械碾娔堋?/div>
可采用與TVS二極管相同的配置。它們的泄漏更少，成本不到TVS二極管的一半。請(qǐng)注意，其設(shè)計(jì)并不要求經(jīng)受數(shù)百次沖擊，且其電阻會(huì)隨著每次沖擊下降。ESD壓敏電阻也在上述產(chǎn)品上進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)串聯(lián)電阻值約為T(mén)VS二極管所需值的兩倍時(shí)，該壓敏電阻的性能最佳。
那么EFT和突波呢？
這些產(chǎn)品只在ESD標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行過(guò)測(cè)試。EFT的獨(dú)特之處在于，雖然電壓不高(4kV及以下)，其沖擊卻是爆發(fā)式(5kHz或以上)，上升時(shí)間較慢(5ns)。突波每次沖擊的能量大約是EFT的1,000倍，但速度只有波形的1/1000。如果還需要涵蓋這些標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)確保在保護(hù)組件的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)上表明它們可以因應(yīng)這個(gè)問(wèn)題。
雖然看起來(lái)事后在電路中添加RC濾波器或TVS二極管并不難，但請(qǐng)注意，本文中提到的所有其他因素會(huì)影響系統(tǒng)性能和保護(hù)級(jí)別。這包括布局、前端使用的組件，以及需要滿(mǎn)足的IEC標(biāo)準(zhǔn)。如果您從開(kāi)始就謹(jǐn)記這一點(diǎn)，就可以避免在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后階段可能出現(xiàn)需要重新設(shè)計(jì)的緊急狀況。
