作者：David Forde
簡(jiǎn)介
與系統(tǒng)模擬輸入和輸出節(jié)點(diǎn)交互作用的外置高壓瞬變可能破壞系統(tǒng)中未采用充分保護(hù)措施的集成電路(IC)。現(xiàn)代IC的模擬輸入和輸出引腳通常采用了高壓靜電放電(ESD)瞬變保護(hù)措施。人體模型(HBM)、機(jī)器模型(MM)和充電器件模型(CDM)是用來(lái)測(cè)量器件承受ESD事件的能力的器件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。這些測(cè)試旨在確保器件能承受器件制造和PCB裝配流程中的靜電壓力，通常在受控環(huán)境中實(shí)施。
工作于惡劣電磁環(huán)境中的系統(tǒng)在輸入或輸出節(jié)點(diǎn)上需要承受高壓瞬變——并且在從器件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)高壓瞬變魯棒性時(shí)，傳輸?shù)絀C引腳的能量水平存在顯著差異。因此，直接與這些系統(tǒng)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)連接的IC也必須采用充分的保護(hù)措施，以承受系統(tǒng)級(jí)高壓瞬變。如果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中未能及早考慮這種保護(hù)機(jī)制，結(jié)果可能導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)不足、產(chǎn)品發(fā)布推遲、系統(tǒng)性能下降等問(wèn)題。本文旨在描述如何保護(hù)敏感的模擬輸入和輸出節(jié)點(diǎn)，使其免受這些IEC標(biāo)準(zhǔn)瞬變的影響。
圖1. 面向精密模擬輸入的IEC系統(tǒng)保護(hù)。
IEC 61000
IEC 61000是有關(guān)EMC魯棒性的系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)中涉及高壓瞬變的三個(gè)部分為IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5。這些是針對(duì)靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌的系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)定義了在施加這些瞬變影響的情況下用于評(píng)估電子電氣設(shè)備抗擾度的波形、測(cè)試方法和測(cè)試級(jí)別。
IEC 61000-4-2測(cè)試的主要目的是確定系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)外部的ESD事件的免疫能力——例如，如果系統(tǒng)輸入/輸出接觸到帶電人體、電纜、工具時(shí)。IEC 61000-4-2規(guī)定要使用兩種耦合方法測(cè)試：接觸放電和氣隙放電。
IEC 61000-4-4 EFT測(cè)試涉及將快速的瞬變脈沖群耦合到信號(hào)線(xiàn)上，以表征與外部開(kāi)關(guān)電路關(guān)聯(lián)的瞬變干擾，這類(lèi)電路能夠以容性方式耦合至信號(hào)線(xiàn)。這種測(cè)試反映了開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)抖動(dòng)，或者因?yàn)楦行曰蛉菪载?fù)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(jiàn)。
浪涌瞬變通常由開(kāi)關(guān)操作造成的過(guò)壓情況或雷擊造成。開(kāi)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(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障（例如安裝時(shí)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。
瞬變電壓抑制器
TVS的基本參數(shù)：
瞬變電壓抑制器(TVS)可以用于抑制電壓浪涌。用于箝位高壓瞬 變，使大電流繞過(guò)敏感電路。TVS的基本參數(shù)為：
- 工作峰值反向電壓：低于該值時(shí)不會(huì)發(fā)生顯著導(dǎo)電現(xiàn)象的電壓
- 擊穿電壓：等于該值時(shí)會(huì)發(fā)生規(guī)定導(dǎo)電現(xiàn)象的電壓
- 最大箝位電壓：器件上傳導(dǎo)規(guī)定的最大電流的最大電壓
在系統(tǒng)輸入或輸出上使用TVS器件時(shí)要考慮多個(gè)因素。ESD或EFT事件會(huì)產(chǎn)生超快時(shí)間（1 ns至5 ns）的瞬變波形，在TVS器件箝位擊穿電壓之前，在系統(tǒng)輸入上導(dǎo)致初始過(guò)沖電壓。浪涌事件具有不同的瞬變波形，上升時(shí)間緩慢(1.2 μs)，脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(50 μs)；并且在該事件下，將在擊穿電壓下開(kāi)始箝位電壓，但可能一直增大至TVS最大箝位電壓。另外，TVS必須高于可能由接線(xiàn)錯(cuò)誤、斷電或用戶(hù)錯(cuò)誤導(dǎo)致的任何容許直流過(guò)壓，以保護(hù)系統(tǒng)，使其免受該直流過(guò)壓事件的影響。所有三種情況都有可能在下游電路的輸入上導(dǎo)致具有潛在破壞作用的過(guò)壓。
模擬輸入保護(hù)電路
為了全面保護(hù)系統(tǒng)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直流過(guò)壓和高壓瞬變保護(hù)。在系統(tǒng)輸入節(jié)點(diǎn)用一個(gè)魯棒的精密型過(guò)壓保護(hù)(OVP)開(kāi)關(guān)，加上TVS，可以保護(hù)靈敏的下游電路（例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器或放大器輸入/輸出），因?yàn)檫@樣可以阻斷過(guò)壓、抑制未被TVS分流到地的剩余電流。
圖2. OVP開(kāi)關(guān)功能框圖。
圖2顯示了一個(gè)典型過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)的功能框圖；注意，該開(kāi)關(guān)的ESD保護(hù)二極管未以其輸入節(jié)點(diǎn)上的電源電壓為基準(zhǔn)。相反，它有一個(gè)ESD保護(hù)單元，在超過(guò)器件最大承受電壓時(shí)激活，使器件能承受并阻斷超過(guò)其電源電壓的電壓。由于模擬系統(tǒng)通常只要求開(kāi)關(guān)的外向引腳采用IEC保護(hù)，所以，ESD保護(hù)二極管依然保留在內(nèi)向引腳上（標(biāo)志為開(kāi)關(guān)輸出端或漏極端）。這些二極管能帶來(lái)額外的好處，因?yàn)樗鼈兤鸬捷o助保護(hù)器件的作用。在持續(xù)時(shí)間較短、上升時(shí)間快的高壓瞬變（如ESD或EFT）過(guò)程中，由于瞬變電壓會(huì)被箝位，所以電壓不會(huì)到達(dá)下游電路。在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、上升時(shí)間慢的高壓瞬變（如浪涌）過(guò)程中，在開(kāi)關(guān)過(guò)壓保護(hù)功能被激活、開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、使故障完全與下游電路分離之前，內(nèi)部保護(hù)二極管會(huì)箝位開(kāi)關(guān)的輸出電壓。
圖3顯示了一個(gè)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（綠色）表示正常工作區(qū)間，輸入電壓位于電源電壓范圍以?xún)?nèi)。左起第二個(gè)區(qū)域（藍(lán)色）表示輸入端可能存在持續(xù)直流或長(zhǎng)時(shí)間交流過(guò)壓的范圍，原因是斷電、接線(xiàn)錯(cuò)誤或短路。另外，圖中最右側(cè)（紫色）是過(guò)壓開(kāi)關(guān)內(nèi)部ESD保護(hù)二極管的觸發(fā)電壓。選擇的TVS擊穿電壓（橙色）必須小于過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)的最大承受電壓并且大于任何已知的可能持續(xù)直流或長(zhǎng)時(shí)間交流過(guò)壓，以免無(wú)意中觸發(fā)TVS。
圖3. 系統(tǒng)工作區(qū)域。
圖4中的保護(hù)電路可以承受最高8 kV IEC ESD（接觸放電）、16 kV IEC ESD（空氣放電）、4 kV EFT和4 kV浪涌。ADG5412F（來(lái)自ADI公司的±55 V過(guò)壓保護(hù)和檢測(cè)、四通道單刀雙擲開(kāi)關(guān)）可以承受ESD、EFT和浪涌瞬變導(dǎo)致的過(guò)壓，過(guò)壓保護(hù)電路與漏極上的保護(hù)二極管共同保護(hù)和隔離下游電路。表1展示的是ADG5412F在TVS擊穿電壓與電阻的各種組合下可以承受的高壓瞬變電平。
圖4. 保護(hù)電路。
表1. 測(cè)試結(jié)果（未在0 Ω電阻與33 V TVS及45 V TVS組合條件下進(jìn)行IEC空氣放電測(cè)試）
圖4也展示了高壓瞬變事件過(guò)程中的各種電流路徑。大部分電流通過(guò)TVS器件分流到地（路徑I1）。路徑I2展示的是通過(guò)ADG5412F輸出節(jié)點(diǎn)上的內(nèi)部ESD消耗的電流，同時(shí)，輸出電壓被箝位于比電源電壓高0.7 V的水平。最后，路徑I3中的電流是下游器件必須承受的剩余電流水平。有關(guān)該保護(hù)電路的更多詳情，請(qǐng)參閱ADI公司應(yīng)用筆記AN-1436。
IEC ESD保護(hù)
圖5. 測(cè)試電路
圖6和圖7所示為在8 kV接觸放電和16 kV空氣放電IEC ESD事件在圖5所示測(cè)試電路上的測(cè)試結(jié)果。如前所述，在TVS器件將電壓箝位至54 V左右之前，源引腳上有一個(gè)初始過(guò)壓。在此過(guò)壓過(guò)程中，開(kāi)關(guān)漏極上的電壓被箝位于比電源電壓高0.7 V的水平。漏極電流測(cè)量結(jié)果展示的是流入下游器件二極管中的電流。脈沖峰值電流約為680 mA，電流持續(xù)時(shí)間約為60 ns。相比之下，1 kV HBM ESD電擊的峰值電流為660 mA，持續(xù)時(shí)間為500 ns。我們因此可以得出結(jié)論認(rèn)為，在采用這種保護(hù)電路的條件下，HBM ESD額定值為1 kV的下游器件應(yīng)該能承受8 kV接觸放電和16 kV空氣放電IEC ESD事件。
圖6. 8 kV事件期間的漏極電壓和漏極輸出電流。
圖7. 16 kV空氣放電事件期間的漏極電壓和漏極輸出電流。
EFT 保護(hù)
圖8是在4 kV EFT事件的一個(gè)脈沖的測(cè)量結(jié)果。與ESD瞬變過(guò)程中發(fā)生的情況類(lèi)似，在TVS器件將電壓箝位至54 V左右之前，源引腳上有一個(gè)初始過(guò)壓。在此過(guò)壓過(guò)程中，開(kāi)關(guān)漏極上的電壓再次被箝位于比電源電壓高0.7 V的水平。在這種情況下，流入下游器件中的脈沖峰值電流僅為420 mA，電流持續(xù)時(shí)間僅約為90 ns。同樣與HBM ESD事件相比，750 kV HBM ESD的電壓的峰值電流為500 mA，持續(xù)時(shí)間為500 ns。因此，在4 kV EFT事件期間，能量被傳輸至下游器件的引腳上，該能量少于750 kV HBM ESD事件下的能量。
圖8. 單次脈沖的EFT電流。
浪涌保護(hù)
圖9中是將4 kV浪涌瞬變施加到保護(hù)電路輸入節(jié)點(diǎn)上時(shí)的測(cè)量結(jié)果。如前所述，源電壓可能增大并超過(guò)TVS擊穿電壓，一直達(dá)到最大箝位電壓。該電路中的過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)的反應(yīng)時(shí)間約為500 ns，并且在這前500 ns的時(shí)間內(nèi)，器件漏極上的電壓被箝位于比電源電壓高0.7 V的水平。在此期間以及約500 ns后，流至下游器件的峰值電流僅為608 mA，開(kāi)關(guān)關(guān)閉并使下游電路與故障隔離。同樣，這里的能量少于1 kV HBM ESD事件期間傳輸?shù)哪芰俊?/font>
圖9. 浪涌事件期間OVP工作原理。
結(jié)論
本文描述了如何依據(jù)IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)集成電路模擬輸入和輸出進(jìn)行高壓瞬變保護(hù)。
本文說(shuō)明了如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸入輸出保護(hù)電路，同時(shí)為用戶(hù)帶來(lái)如下好處：
- 簡(jiǎn)化保護(hù)設(shè)計(jì)
- 加速產(chǎn)品上市
- 提高保護(hù)電路性能，減少分立元件數(shù)量
- 減小信號(hào)路徑中的串聯(lián)電阻阻值
- 由于TVS設(shè)計(jì)窗口很寬，TVS選擇更方便
- 達(dá)到下列標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)-級(jí)保護(hù)
- IEC 61000-4-2 16 kV空氣放電
- IEC 61000-4-2 8 kV接觸放電
- IEC 61000-4-4 4 kV
- IEC 61000-4-5 4 kV
- 交流和持續(xù)直流過(guò)壓保護(hù)高達(dá)±55 V
- 掉電保護(hù)可達(dá)±55V
附錄
ADI過(guò)壓保護(hù)和檢測(cè)產(chǎn)品：±55 V OVP
作者
David Forde 于2006年畢業(yè)于卡羅理工學(xué)院，獲集成電路設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，畢業(yè)后即加盟ADI公司，任布局工程師。2011年，他畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲VLSI系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)工程碩士學(xué)位；2015年，他加盟儀器儀表與精密技術(shù)事業(yè)部，任應(yīng)用工程師，為模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用產(chǎn)品系列提供支持。
