電氣過應(yīng)力簡介-第1部分

記得大學(xué)的時候，我們莫名其妙地將 120VAC 電源連接到了 5V 微控制器電源上。微控制器爆了，實驗室里到處都是陶瓷 DIP 器件的小碎片。這是我的第一次電氣過應(yīng)力 (EOS) 經(jīng)歷。

雖然可能很明顯不應(yīng)該將 120V 電源連接到 5V 器件上，但怎么知道安全工作等級是多少呢?答案就在“絕對最大額定參數(shù)”表中，該表主要描述器件損壞前所能承受的最差情況輸入信號、電源電壓和溫度。表 1 是 OPA192 絕對最大額定參數(shù)的實例。在本博客中，我們將重點探討電源電壓和輸入信號。我還將寫一篇介紹其它參數(shù)的后續(xù)博客。

表 1：OPA192 的絕對最大額定參數(shù)表

在本實例中，絕對最大電源電壓對于單電源而言是 ±20V 或 40V。必須理解，絕對最大電源電壓(表 1 中 40V)不同于工作技術(shù)參數(shù)中的最大電源電壓(表 2 中的 36V)。超過絕對最大電源電壓會損壞器件，而超過工作技術(shù)參數(shù)中的最大電源電壓則意味著器件的精確度會降低到給定限值以下。因此在本例中，如果電源電壓被設(shè)定為 37V，那么器件精度可能會受到影響，但放大器不會損壞。

表 2：OPA192 的工作技術(shù)參數(shù)

電氣特性

在 TA = +25C 時，VCM = VOUT = VS/2，連接到 Vs/2 的 RLOAD = 10kΩ，另有說明除外。

既然理解了絕對最大額定參數(shù)表的意圖，那我們就來看看輸入信號。圖 1 列出了共模及最大差分輸入。共模信號是放大器任意輸入端上的電壓，而差分輸入信號則是應(yīng)用在放大器兩個輸入端之間的電壓。在運算放大器正常工作時，差分輸入就是輸入失調(diào)電壓 (Vos)。然而在有些情況下，放大器可能應(yīng)用了很大的差分電壓。例如，如果放大器作為比較器使用或連接至多路復(fù)用器，那么在多路復(fù)用器通道轉(zhuǎn)換時，輸入端可能會出現(xiàn)很大的差分電壓。圖 1 有助于理解共模輸入與差分輸入之間的區(qū)別。

圖 1：運算放大器的共模輸入與差分輸入

只要保持輸入信號小于絕對最大額定參數(shù)，放大器就不會損壞。這似乎很簡單，那為什么電氣過應(yīng)力會成為這樣的問題呢?原因是放大器輸入終端經(jīng)常暴露于外界。例如，某產(chǎn)品可能需要連接外部傳感器才能工作。在很多時候，外部連接有可能被錯誤連線至過大電壓。而在其它使用案例中，短暫的過壓浪涌可能會通過磁耦合或電容耦合應(yīng)用。對于惡劣環(huán)境情況而言，不可能阻止過壓條件出現(xiàn)。在這些情況下有必要使用一些外部保護(hù)功能。

最簡單的外部保護(hù)形式是使用限流電阻器。注意，在表 2 中輸入終端電流必須限制在 10mA 或以下。該電流限值可用來選擇能夠防止過壓電源造成損壞的電阻器。圖 2 是內(nèi)部運算放大器靜電放電 (ESD) 保護(hù)二極管(D1、D2、D3 和 D4)。ESD 二極管本身不是用來處理大量連續(xù)電氣過應(yīng)力電流的，而是用來防范極短靜電放電脈沖(幾納秒內(nèi)的幾千伏電壓)的。實際上，二極管額定允許的連續(xù)輸入電流僅為 10mA(見表 2 的輸入終端電流)。因此，輸入保護(hù)的關(guān)鍵是使用串聯(lián)電阻器 (Rp) 將輸入電流限制在 10mA 以下。注意，您需要查看產(chǎn)品說明書，以確認(rèn)放大器中的輸入 ESD 二極管的配置情況。

圖 2：內(nèi)部 ESD 二極管與限流電阻器

限流電阻器值的選擇取決于應(yīng)用所預(yù)期的最差情況過應(yīng)力電壓。公式 1 是假設(shè) 100V 過應(yīng)力電壓下的計算實例。該公式由歐姆定律以及基爾霍夫圍繞環(huán)路的電壓定律推導(dǎo)得出。可使用更大的串聯(lián)保護(hù)電阻器實現(xiàn)更高的保護(hù)等級。

最后要注意的是，電源上需要配備瞬態(tài)電壓抑制器(D5 和 D6)，以吸收過壓信號。瞬態(tài)電壓抑制器與齊納二極管類似，但它們通過大型結(jié)點區(qū)域進(jìn)行了優(yōu)化，可在短時間內(nèi)快速吸收大功率。之所以需要這些二極管是因為電源可能無法吸收電流。此外，電源可能做出的響應(yīng)速度不夠，不能防范過壓信號。必須確保針對該應(yīng)用使用單向(而非雙向)電壓抑制器。

在這篇博客中，我們了解了如何使用串聯(lián)電阻器防止放大器輸入出現(xiàn)過電壓情況。在下一篇博客中，我們將討論絕對最大額定參數(shù)表中的其它額定參數(shù)。我希望該探討內(nèi)容能幫助您避免出現(xiàn)我在大學(xué)時經(jīng)歷的煙火場景。