電磁兼容性
IEC 61000規(guī)范定義了一組電磁兼容性(EMC)抗擾度要求，適用于在住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中使用的電氣和電子設(shè)備。這套規(guī)范中有三個重要的高壓瞬變規(guī)范：
IEC 61000-4-2 ESD
IEC 61000-4-4 EFT
IEC 61000-4-5浪涌耐受性
所有這些規(guī)范都定義了測試方法，用以評估電子和電氣設(shè)備對指定現(xiàn)象的耐受性。
圖1.完整保護解決方案
過壓故障保護
ADI公司高可靠性的故障防護開關(guān)和多路復(fù)用器產(chǎn)品組合（ADG5208F和ADG5412F）提供高達±55 V的OVP功能。這些器件還有高達±55 V的掉電保護、過壓故障檢測、防閂鎖、高達5.5 kV的HBM ESD防護等級。除了實現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的高可靠性以外，這些具有OVP功能的開關(guān)還保持了業(yè)界領(lǐng)先的模擬性能，可以應(yīng)用于高阻抗以及低阻抗系統(tǒng)。
斷電、熱插拔連接、電源時序問題和接線錯誤是持續(xù)直流或瞬變過壓的常見原因。將具有OVP功能的模擬開關(guān)放在系統(tǒng)的輸入或輸出節(jié)點，就可以保護系統(tǒng)輸入和輸出免受在有電或無電情況下高達±55 V的過壓影響。該類模擬開關(guān)會隔離故障，將輸入端與電路其余部分?jǐn)嚅_。還可以保護下游電路，因為故障不會通過箝位二極管傳導(dǎo)進入系統(tǒng)。
用于開關(guān)、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)等的傳統(tǒng)互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)架構(gòu)，在器件輸入端和輸出端上均有ESD保護二極管。圖2顯示了ADI公司具有OVP功能的模擬開關(guān)的功能框圖。傳統(tǒng)輸入保護ESD二極管對被一個雙向ESD保護單元取代，其位于輸入端點(Sx)和內(nèi)部開關(guān)單元之間，觸發(fā)電壓約為70 V。因此在輸入端發(fā)生過壓時，開關(guān)輸入端的電平不再箝位到供電軌，開關(guān)輸入端可承受高達±55 V的電壓。雙向ESD保護單元提供高達5.5 kV HBM ESD防護能力。
圖2.具有OVP功能的模擬開關(guān)功能框圖
開關(guān)內(nèi)部故障檢測電路持續(xù)監(jiān)控輸入端電平，并將其與故障基準(zhǔn)電平（通常為VDD和VSS）相比較。當(dāng)輸入檢測到過壓狀態(tài)時，受影響的通道約在500 ns后關(guān)閉，輸入端進入高阻態(tài)，將故障與任何敏感的下游電路完全隔離。在開關(guān)未作出反應(yīng)的這500 ns期間，開關(guān)輸出端的上下二極管對輸出電壓進行箝位，同樣起到保護下游電路的作用。圖3顯示了該輸出電壓保護隨時間的變化。
圖3.輸出電壓隨時間的變化
該開關(guān)的高可靠性表現(xiàn)為如下方面：
±55 V交流和持續(xù)直流過壓保護
掉電保護高達±55 V
過壓故障防護
任何情況下都不會發(fā)生閂鎖
5.5 kV HBM ESD額定值
系統(tǒng)級保護電路
在系統(tǒng)層面，過壓保護、防閂鎖和EMC保護（ESD、EFT、浪涌）通常由一系列分立器件實現(xiàn)，由于信號路徑中存在的漏電流和額外電阻，所有這些器件都可能造成系統(tǒng)性能和精度下降。
借助ADI公司過壓故障防護器件的高可靠性，并結(jié)合單個瞬變電壓抑制器(TVS)和一個低值電阻(≤30 Ω)，ADG5412F可以承受高達16 kV IEC ESD（氣隙放電）、8 kV IEC ESD（接觸放電）、4 kV EFT和4 kV浪涌的高壓瞬變。圖4顯示了該保護電路。
正常工作條件下，TVS器件具有很高的對地阻抗。當(dāng)在系統(tǒng)輸入端存在一個大于TVS擊穿電壓的瞬變電壓時，TVS被擊穿并提供低阻抗接地路徑，將瞬變電流從開關(guān)輸入端轉(zhuǎn)移到地，從而輸入端電壓被箝位。TVS器件的重要參數(shù)包括：工作峰值反向電壓，低于此電壓便不會發(fā)生明顯的導(dǎo)通；擊穿電壓，在該電壓時發(fā)生一定程度的導(dǎo)通；以及最大箝位電壓，這是傳導(dǎo)額定最大電流時器件上的最大電壓。
圖4.保護電路圖
此電路依照IEC61000-4-2、IEC61000-4-4和IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)進行測試，發(fā)現(xiàn)ADG5412F器件能夠承受非常高的IEC ESD、EFT和浪涌瞬變。
表1顯示了ADG5412F結(jié)合TVS器件和電阻的不同組合所測得的結(jié)果。
表1.TVS器件和電阻的不同組合的測試結(jié)果
|
保護 |
IEC ESD接觸(kV) |
氣隙(kV) |
EFT (kV) |
浪涌(kV) |
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33 V TVS和0 Ω電阻 |
5 |
未測試 |
3 |
4 |
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33 V TVS和10 Ω電阻 |
8 |
16 |
4 |
4 |
|
45 V TVS和0 Ω電阻 |
4 |
未測試 |
2 |
4 |
|
45 V TVS和15 Ω電阻 |
8 |
16 |
4 |
4 |
|
54 V TVS和30 Ω電阻 |
8 |
16 |
4 |
4 |
ESD和EFT的激勵信號具有非常快速的上升時間，經(jīng)過初始過沖后，瞬變被TVS器件箝位。引起過沖的原因是TVS對上升時間非常快的ESD/EFT脈沖的響應(yīng)速度不夠快，因此需要一個小電阻來提高ESD/EFT防護水平，如表1所示。
TVS選擇
選擇TVS器件時，務(wù)必確保其最大工作電壓既大于要保護的引腳的正常工作電壓，又大于接線錯誤引起的任何可能存在的已知系統(tǒng)過壓。TVS最大工作電壓與ADG5412F具有的±55 VOVP性能相結(jié)合，為TVS選擇提供了一個很寬的設(shè)計窗口。
圖5.TVS設(shè)計窗口
圖5顯示了一個與外部接口的系統(tǒng)輸入端的工作區(qū)域。最左邊的區(qū)域表示正常工作區(qū)間，輸入電壓位于電源電壓范圍以內(nèi)。左起第二個區(qū)域表示輸入端可能存在持續(xù)直流或長時間交流過壓的范圍，原因是斷電、接線錯誤或短路。另外，圖中最右側(cè)是ADG5412F內(nèi)部ESD保護二極管的觸發(fā)電壓。
TVS設(shè)計窗口區(qū)域取決于開關(guān)的±55 V過壓保護區(qū)間。該窗口由OVP開關(guān)的最大關(guān)態(tài)電壓與系統(tǒng)中可能存在的最大過壓之差決定。為保護系統(tǒng)輸入和敏感下游電路達到IEC標(biāo)準(zhǔn)的抗干擾要求，同時為了始終處在OVP開關(guān)的工作范圍以內(nèi)，應(yīng)選擇擊穿電壓在TVS設(shè)計窗口之內(nèi)的TVS。此設(shè)計窗口概念使得系統(tǒng)設(shè)計人員可以靈活選擇TVS，只要其擊穿電壓在這個很寬的電壓范圍以內(nèi)即可。
選擇TVS器件時，另一個要考慮的參數(shù)是其最大箝位電壓。在浪涌事件期間，當(dāng)越來越大的電流流過TVS器件時，TVS的箝位電壓可以升高到最大箝位電壓。對于TVS，此最大箝位電壓高于擊穿電壓。高擊穿電壓（如54 V）TVS的最大箝位電壓大于ADG5412F數(shù)據(jù)手冊中針對源極引腳規(guī)定的±55 V直流絕對最大額定值。但是，“浪涌測試，IEC61000-4-5”部分證明，在浪涌瞬變持續(xù)時間內(nèi)，ADG5412F可以承受大于直流最大額定值的電壓。這是因為浪涌瞬變的上升時間比ESD脈沖慢得多，故在浪涌瞬變持續(xù)時間內(nèi)，ADG5412F內(nèi)部ESD保護不會觸發(fā)。
系統(tǒng)級保護
在圖4所示電路中，分立TVS和電阻保護ADG5412F免受IEC ESD、EFT和浪涌事件影響。ADG5412F可保護電路免受過壓故障、閂鎖和熱插拔事件的影響。為了全面保護系統(tǒng)輸入免受ESD、EFT和浪涌事件影響，不僅要確保OVP器件(ADG5412F)能承受瞬變電壓，而且要確保充分抑制ADG5412F漏極(Dx)上離開開關(guān)的能量水平，避免下游器件受損。
圖6顯示了在IEC ESD、EFT和浪涌事件期間，用于量化ADG5412F輸出端輸出的能量水平的設(shè)置。
測試設(shè)置復(fù)制了一個典型系統(tǒng)，其中ADG5412F保護下游器件的輸入。上下二極管代表任何下游電路（如放大器或ADC）中存在的輸入ESD保護二極管。在瞬變事件期間，ADG5412F能夠有效降低到達下游器件的能量，下一部分中的數(shù)據(jù)證明了這一點。下游器件的輸入ESD保護二極管消除保護電路輸出端殘留的微小能量，就像在HBM ESD事件期間所做的一樣。
圖6.測試設(shè)置
靜電放電(ESD)
ESD是指靜電荷在不同電位的實體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場感應(yīng)引起。其特征是在短時間內(nèi)有高電流流過。
IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過程中對系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2規(guī)定要使用兩種耦合方法測試：接觸放電和氣隙放電。接觸放電是指放電槍直接與受測裝置相連。氣隙放電使用更高的測試電壓，但不會直接接觸受測裝置。
在氣隙放電測試期間，放電槍的充電電極朝向受測單元移動，直到氣隙上發(fā)生電弧放電。放電槍不與受測裝置直接接觸。氣隙測試的結(jié)果和可重復(fù)性會受到多種因素的影響，包括濕度、溫度、氣壓、距離和放電槍逼近受測裝置的速率。與接觸放電方法相比，氣隙放電方法能夠更好地反映實際ESD事件，但可重復(fù)性較差。
圖7顯示了規(guī)范所述的8 kV接觸放電電流波形。需要注意的關(guān)鍵波形參數(shù)是不到1 ns的快速上升時間、大約60 ns的短脈沖寬度和30 A的峰值電流。
圖7.IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)
該測試是按單次放電進行的。測試點可能承受至少10次正極放電和10次負極放電。推薦的放電間隔為1秒。
將ESD脈沖施加于保護電路輸入端時，經(jīng)過初始過沖后，輸入端電壓由TVS器件(SMAJ54CA)箝位在54 V。由于脈沖持續(xù)時間非常短（大約60 ns），所以ADG5412F內(nèi)部OVP電路沒有時間作出反應(yīng)，將下游電路與ESD事件隔離開來。但是，ADG5412F輸出端的內(nèi)部保護二極管變?yōu)檎瑢DG5412F的輸出電壓箝位在VDD + 0.7 V。
輸出端的這些內(nèi)部二極管可靠性很高，足以帶走大部分電流，從而保護下游器件，使系統(tǒng)免受初始8 kV ESD事件影響。
靜電放電測試，IEC61000-4-2
圖8顯示了IEC瞬變事件期間通過電路的電流路徑。大部分電流通過TVS器件分流到地（路徑I1）。路徑I2顯示了開關(guān)斷開所需的500 ns時間內(nèi)消散的電流。最后，路徑I3中的電流是下游器件必須承受的電流水平。
圖8.ESD事件期間的電流路徑
圖9顯示了在開關(guān)輸出端測得的電流，條件是將±8 kV IEC ESD接觸放電脈沖施加于ADG5412F輸入端，采用54 V TVS (Bourns SMAJ54CA)和30 Ω串聯(lián)電阻。在TVS箝位瞬變電壓之前有一個初始過沖（參見“TVS選擇”部分），以免觸發(fā)ADG5412F內(nèi)部ESD保護（需要30 Ω電阻）。在IEC ESD事件期間，在ADG5412F輸出端(Dx)測得的峰值電流僅有678 mA。
輸出端測得的峰值電流脈沖寬度大約為60 ns，可以與HBM ESD事件相比較。1 kV HBM ESD電擊的峰值電流約為660 mA，持續(xù)時間為500 ns。因此，在圖4所示的配置中使用ADG5412F時，8 kV IEC ESD電擊被衰減為不到1 kV的HBM ESD事件。這可以與下游器件的HBM ESD額定值相比較。
圖9.8 kV事件期間的漏極電壓和漏極(Dx)輸出電流
類似地，圖10顯示了在開關(guān)輸出端測得的電流，條件是將±16 kV IEC ESD氣隙放電脈沖施加于ADG5412F輸入端，采用54 V TVS (Bourns SMAJ54CA)和30 Ω串聯(lián)電阻。
圖10.16 kV氣隙放電事件期間的漏極電壓和漏極(Dx)輸出電流
在IEC ESD事件期間，在ADG5412F輸出端測得的峰值電流僅有680 mA，這幾乎與8 kV接觸放電測試結(jié)果相同。
電快速瞬變脈沖群(EFT)
EFT測試涉及將快速的瞬變脈沖群耦合到信號線上，以表征與外部開關(guān)電路關(guān)聯(lián)的瞬變干擾，這類電路能夠以容性方式耦合至信號線。這種測試反映了開關(guān)觸點抖動，或者因為感性或容性負載切換而產(chǎn)生的瞬變，而所有這些在工業(yè)環(huán)境中都很常見。IEC 61000-4-4中定義的EFT測試嘗試模擬因為這些類型的事件產(chǎn)生的干擾。
圖11顯示了EFT波形。輸出波形由重復(fù)的5 kHz高電壓瞬變突波組成。突波間隔300 ms，每個突波持續(xù)時間為15 ms。每個脈沖具有5 ns的上升時間(tR)和50 ns的持續(xù)時間(tD)，這些時間在波形的上升和下降沿的50%點之間測量。與ESD瞬變類似，單個EFT脈沖的特性也是快速上升時間和短脈沖寬度。單次脈沖的總能量類似于ESD脈沖。
IEC 61000-4-4規(guī)定這些快速突發(fā)瞬變通過容性箝位器耦合到輸入線路。EFT通過箝位器容性耦合到輸入線路，而不是直接接觸。為了在系統(tǒng)級測試中復(fù)制此耦合板，將一個0.5 μF耦合電容連接到IC輸入端。這是依照IEC 62215標(biāo)準(zhǔn)，它是IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)的IC級版本。
將這些EFT脈沖施加于保護電路輸入端時，會以類似ESD事件的方式抑制電流。經(jīng)過初始過沖后，4 kV EFT電壓被54 V TVS器件箝位，未導(dǎo)向TVS的大部分殘留電流被ADG5412F輸出端內(nèi)部的高可靠性的二極管帶走。對于每個突波中的每個脈沖，都會重復(fù)這個保護動作。
圖11.IEC 61000-4-4 EFT波形
EFT測試，IEC61000-4-4
圖12顯示將±4 kV IEC EFT脈沖施加于ADG5412F器件輸入端，采用54 V TVS和30 Ω串聯(lián)電阻。在EFT突波的一個脈沖期間，輸出端測得的峰值電流僅有420 mA。
類似于ESD事件，該峰值電流脈寬大約60 ns，可以與HBM ESD事件相比較。750 V HBM ESD電擊的峰值電流約為500 mA，持續(xù)時間為500 ns。因此，在圖5所示的配置中使用ADG5412F時，可將4 kV IEC EFT電擊衰減為不到750 V的HBM ESD事件，這是大部分現(xiàn)代IC都能承受的。
圖12.單次脈沖的EFT電流
浪涌
浪涌瞬變通常由開關(guān)操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關(guān)瞬變的起因可能是電力系統(tǒng)切換、配電系統(tǒng)中的負載變化或各種系統(tǒng)故障（例如安裝時與接地系統(tǒng)形成短路和電弧故障）。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些浪涌現(xiàn)象影響的情況下用于評估電子電氣設(shè)備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。
標(biāo)準(zhǔn)的波形由波形發(fā)生器產(chǎn)生，用于表征開路電壓和短路電流事件。標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種波形。10 μs/700 μs組合波形用于測試要連接到對稱通信線路（如電話交換線路）的端口。1.2 μs/50 μs組合波形用于所有其他情形，特別是短距離信號連接。
圖13.IEC 61000-4-5浪涌1.2 μs/50 μs波形
圖13顯示1.2 μs/50 μs浪涌瞬變波形。ESD和EFT擁有類似的上升時間、脈沖寬度和能量級別。但是，浪涌脈沖的上升時間要慢得多(1.2 μs)，持續(xù)時間要長得多，脈沖寬度為50 μs，這兩個值均遠大于ESD脈沖和EFT的單個脈沖。浪涌脈沖的能量級別可以比ESD或EFT脈沖能量級別高出三到四個數(shù)量級。因此，浪涌瞬變被認為是最嚴(yán)苛的EMC瞬變規(guī)范。在浪涌事件期間，輸入端電壓被TVS器件箝位。由于浪涌事件持續(xù)時間為50 μs，因此具有OVP功能的開關(guān)有充足的時間作出反應(yīng)，隔離下游電路。僅僅經(jīng)過500 ns，ADG5412F的OVP功能便將下游器件與瞬變隔離。事實上，這是將50 μs浪涌輸入變成500 ns脈沖，顯著降低傳輸?shù)较掠纹骷哪芰俊?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;" />
浪涌測試，IEC61000-4-5
將±4 kV浪涌脈沖施加于ADG5412F輸入端時（采用54 V TVS和30 Ω串聯(lián)電阻），輸出端測得的峰值電流為616 mA。
圖4所示的保護電路將具有潛在破壞性的長時間高電流浪涌事件衰減成持續(xù)不到500 ns、峰值電流為608 mA的短時間事件。相比之下，1 kV HBM ESD事件的峰值電流約為660 mA，持續(xù)時間為500 ns。
圖14顯示了500 ns后的開關(guān)動作，將漏極與浪涌事件隔離。
圖14.浪涌事件期間OVP工作原理
結(jié)論
本文討論的保護架構(gòu)顯示了如何利用ADG5412F并結(jié)合單個TVS器件和低值串聯(lián)電阻，保護系統(tǒng)輸入或輸出節(jié)點免受高達16 kV IEC ESD、4 kV EFT和4 kV浪涌瞬變電壓的影響。本應(yīng)用筆記還討論了所述的保護架構(gòu)如何將下游電路的保護需求降至僅相當(dāng)于1 kV HBM ESD的水平。此信息為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了設(shè)計系統(tǒng)輸入輸出保護電路并實現(xiàn)下列優(yōu)勢所需的知識：
簡化保護設(shè)計。
加速產(chǎn)品上市。
提高保護電路性能，因為所需的分立元件減少。
減小信號路徑中的串聯(lián)電阻阻值。
由于TVS設(shè)計窗口很寬，TVS選擇更方便。
達到下列標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級保護：
IEC61000-4-2 16 kV氣隙放電。
IEC61000-4-2 8 kV接觸放電。
IEC61000-4-4 4 kV。
IEC61000-4-5 4 kV。
交流和持續(xù)直流過壓保護高達±55 V。
掉電保護高達±55 V。
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