當(dāng)電子元件性能下降：如何保護(hù)您的模擬前端

本文旨在幫助指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解不同類型的電氣過載(EOS)及其對系統(tǒng)的影響。雖然本文針對系統(tǒng)中產(chǎn)生的特定類型電應(yīng)力，但是這些信息也適用于各種場景。

這個(gè)問題很重要，因?yàn)槿绻患右赃m當(dāng)保護(hù)，即使是最好的電路也會性能下降，或因電氣過載受損。

何謂EOS？

EOS是一個(gè)通用術(shù)語，表示因?yàn)檫^多的電子通過相應(yīng)路徑試圖進(jìn)入電路，導(dǎo)致系統(tǒng)承受過大壓力。有一點(diǎn)需要注意，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)簡單的消耗功率的元件，例如，將它視為一個(gè)電阻。在額定功率為1 W的1 Ω電阻上施加1.1 V電壓，計(jì)算功耗的公式如下：

計(jì)算得出，消耗的功率為1.21 W。雖然電阻的額定功率為1 W，但是可能存在一些余量，所以暫時(shí)不用擔(dān)心這一點(diǎn)。但并不能夠始終如此。

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

如果將電壓增加到10 V，但僅持續(xù)10毫秒呢？有趣的地方就在這里：如果不了解部件，以及設(shè)計(jì)處理部件的目的，您就無法真正了解會對該部件產(chǎn)生什么影響?，F(xiàn)在，我們來看整個(gè)元件系統(tǒng)。

哪些部分易受EOS影響？

一般而言，任何包含電子元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。我們感興趣的部件包括USB端口、示波器的模擬前端，以及最新的高性能物聯(lián)網(wǎng)混合器的充電端口等。

我們?nèi)绾沃酪婪赌男﹩栴}？

雖然我們知道我們想要保護(hù)系統(tǒng)免受電氣過載，但是這個(gè)術(shù)語太寬泛了，對于我們決定如何保護(hù)系統(tǒng)沒有任何幫助。為此，IEC（以及許多其他組織）做了大量工作來弄清楚我們在現(xiàn)實(shí)生活中可能會遇到的EOS類型。我們將重點(diǎn)探討IEC規(guī)范，因?yàn)樗鼈兒w廣泛的市場應(yīng)用，而與該規(guī)范相關(guān)的混亂狀況也說明需要本文來厘清。表1顯示了三個(gè)規(guī)范，它們定義了系統(tǒng)可能遇到的EOS狀況類型。在本文中我們只對ESD做深入探討，同時(shí)也會讓大家熟悉電快速瞬變(EFT)和浪涌。

表1.IEC規(guī)范

圖1.8 kV時(shí)的理想接觸放電電流波形

圖2.符合IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)的電快速瞬變4級波形

圖3.IEC61000-4-5浪涌在8 μs/20 μs電流波形位置轉(zhuǎn)為正常狀態(tài)

集成電路制造商沒有對芯片實(shí)施ESD保護(hù)嗎？

問題的答案既肯定又否定，并不那么令人滿意。是的，這些芯片中的保護(hù)主要用于應(yīng)對制造過程中的ESD，而不是在系統(tǒng)通電狀態(tài)下的ESD。這一差異非常重要，因?yàn)樵诜糯笃鬟B接電源和沒連接電源時(shí)，其在遭受靜電時(shí)的反應(yīng)截然不同。例如，內(nèi)部保護(hù)二極管可消除在無電源供電時(shí)對部件的靜電放電沖擊。但是，當(dāng)有電源供電時(shí)，對部件的靜電放電沖擊可能會使內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的電流超過其設(shè)計(jì)承受水平。這可能導(dǎo)致該部件損毀，具體由部件和電源電壓決定。

這是全球范圍內(nèi)亟待解決的問題！如何保護(hù)我的IC免受這種潛在威脅？

我希望您能夠意識到，這個(gè)挑戰(zhàn)涉及很多因素，一個(gè)簡單的解決方案是無法應(yīng)用于所有情況的。下方是一個(gè)涉及因素列表，列出了決定部件能否承受EOS事件的因素。這些因素分為兩組：我們無法控制的因素和我們可以控制的因素。

無法控制的因素：

?     IEC波形：ESD、EFT和浪涌的曲線各有不同，它們會以不同的方式攻擊器件的某些弱點(diǎn)。

?     考慮器件的工藝技術(shù)：有些工藝技術(shù)比其他技術(shù)更容易發(fā)生閂鎖。例如，CMOS工藝容易發(fā)生閂鎖，但在許多現(xiàn)代工藝中，可以通過精心設(shè)計(jì)和溝槽隔離來減輕這種危害。

?     考慮器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：集成電路的設(shè)計(jì)方法很多，所以對一種電路有效的保護(hù)方案對另一種可能無效。例如，許多器件都有時(shí)序電路，檢測到波形足夠快時(shí)，就會啟動(dòng)保護(hù)結(jié)構(gòu)。這可能意味著，如果您在靜電放電的位置增加更多電容，那么能夠承受靜電放電沖擊的器件可能無法承受這種電容沖擊。這種結(jié)果出乎意料，但認(rèn)識到以下這一點(diǎn)非常重要：常見的電路保護(hù)方法，即RC濾波器，可能會讓情況更糟。

可以控制的因素：

?     PCB布局：部件離沖擊的位置越近，其電能波形就越高。這是因?yàn)?，?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會有能量損耗、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。

?     保護(hù)電路：這是對器件的生存能力最有意義的部分。上述我們無法控制的因素將會影響我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)保護(hù)方案。

現(xiàn)在有過壓保護(hù)(OVP)和過限額(OTT)特性。我可以利用這些特性來保護(hù)電路不受高壓瞬變影響嗎？

不能！不要這樣做。這不是個(gè)好主意。OVP和OTT特性讓部件的輸入在承受超過電源電壓的電壓時(shí)，本身不會受到損壞。依靠這些特性來保護(hù)電路不受高壓瞬變影響，就像是依靠雨靴來應(yīng)對高壓沖水機(jī)一樣。雨靴只對水深不超過其高度的淺水沆有效，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。它無法抵抗8000V的高壓。

圖4.IEC-61000-4-2測試中采用的電路

我如何知道保護(hù)電路是否有效？

通過結(jié)合器件知識、經(jīng)驗(yàn)和測試，我們大致可以知道，系統(tǒng)中應(yīng)該采用哪些部件最有利。為了保證器件可控，各家制造商提供了五花八門的保護(hù)組件，我只討論兩種經(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)測試，因?yàn)橥噍斎霑惺芩袥_擊，除此以外，電能無處可去（安裝保護(hù)電路之前）。

圖5.通過在模擬輸入端配置低通濾波器實(shí)現(xiàn)輸入保護(hù)

RC網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案

設(shè)計(jì)考量：

?     R1應(yīng)該是一個(gè)防脈沖（厚膜）電阻，這樣它在經(jīng)受高壓瞬變時(shí)不會輕易毀壞。

?    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類型溫度系數(shù)的電容（理想為C0G/NP0類型），以保持可預(yù)測的電容值。

?    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。

?    針對給定的封裝尺寸，C1的額定電壓應(yīng)盡可能高（最低100 V）。

?     在本例中，C1的位置在R1之前，因?yàn)樗鼧?gòu)建了一個(gè)電容分壓器，其中150 pF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。

注意：雖然這種前端保護(hù)方法并沒有得到電容制造商的認(rèn)可，但在針對放大器的數(shù)百次測試中證明是有效的。ESD測試曲線（如下所述）僅在有限范圍的電容產(chǎn)品上進(jìn)行過測試，因此，如果使用不同的電容產(chǎn)品，需要先表征其應(yīng)對沖擊的特性，例如通過測量經(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。該電容器件應(yīng)保持容值穩(wěn)定，并且在被沖擊后，始終在直流下保持開路狀態(tài)。

圖6.通過在模擬輸入端配置TVS二極管實(shí)現(xiàn)輸入保護(hù)

TVS網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案

設(shè)計(jì)考量：

?     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需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)。有些可能只涵蓋ESD，其他的則涵蓋EFT和浪涌標(biāo)準(zhǔn)。

?     D1應(yīng)該是雙向的，這樣它就可以同時(shí)應(yīng)對正負(fù)沖擊。

?     D1反向工作電壓應(yīng)盡可能高，同時(shí)仍需通過必要的測試。如果過低，在正常的系統(tǒng)電壓電平下可能出現(xiàn)漏電流。如果過高，則可能無法在系統(tǒng)損壞之前做出反應(yīng)。

但是我聽說TVS二極管經(jīng)常發(fā)生泄漏，這會降低我的性能。

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，許多數(shù)據(jù)手冊中的泄漏電流< 100μA，對于大多數(shù)模擬產(chǎn)品這個(gè)值是相當(dāng)高的。對于這個(gè)數(shù)值，問題在于，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85°C，所有二極管的泄漏電流會更高。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。

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)獲得的泄漏數(shù)據(jù)。

圖7.36 V雙向TVS二極管Bournes T36SC的泄漏值，在TIA中采用ADA4530評估板，帶屏蔽，在25°C時(shí)采用10 G電阻

在測量的12個(gè)TVS二極管中，在直流偏置電壓為5 V時(shí)，最嚴(yán)重的泄漏量為7 pA。這比最壞情況下的數(shù)據(jù)表的值要好千百萬倍。當(dāng)然，不同批次的TVS二極管在泄漏方面存在差異，但這至少可以說明預(yù)期的泄漏幅度。如果我們系統(tǒng)經(jīng)受的溫度不會超過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試產(chǎn)品，請表征其泄漏特性。對一個(gè)部件或制造商而言正確的結(jié)論，對其他部件或制造商可能并不正確。

測試結(jié)果：

采用IEC ESD標(biāo)準(zhǔn)對一系列運(yùn)算放大器進(jìn)行了測試。表2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±8 kV要保證經(jīng)受三次沖擊，但所有這些方案都通過了在±9 kV時(shí)經(jīng)受100次沖擊的測試，以確保提供足夠的保護(hù)余量。

IEC標(biāo)準(zhǔn)要求，通過將兩個(gè)470 kΩ電阻與30 pF電容并聯(lián)，使ESD源的接地端與放大器的接地端連接在一起。本測試的設(shè)置則更為嚴(yán)格，它將ESD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，這可以進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)品的可信賴度。請記住，由于放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在很大不同，對本列表中的器件適用的數(shù)據(jù)
可能適用，也可能不適用于其他器件。如果使用其他器件或其他保護(hù)元件，建議對其進(jìn)行全面測試。

表2.通過IEC-61000-4-2測試的器件列表及其各自的保護(hù)配置

使用的保護(hù)元件：

?  電阻：Panasonic 0805 ERJ-P6系列

?  電容：Yageo 0805 100 V C0G/NPO

?  TVS二極管：Bourns CDSOD323-T36SC（雙向，36 V，極低漏電流，符合ESD、EFT和浪涌標(biāo)準(zhǔn)）

?  ESD壓敏電阻：Bourns MLA系列，0603 26 V

Bonus元件：ESD壓敏電阻

TVS二極管性能良好，可以經(jīng)受無數(shù)次沖擊。這對于EFT和浪涌保護(hù)非常不錯(cuò)，但是，如果您只需要ESD保護(hù)，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，它們轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪弘娮?，可以分流掉壓敏電阻中的電能?/p>

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)行了測試，當(dāng)串聯(lián)電阻值約為TVS二極管所需值的兩倍時(shí)，該壓敏電阻的性能最佳。

那么EFT和浪涌呢？

這些產(chǎn)品只在ESD標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行過測試。EFT的獨(dú)特之處在于，雖然電壓不高（4 kV及以下），其沖擊卻是爆發(fā)式（5 kHz或以上），上升時(shí)間較慢(5 ns)。浪涌每次沖擊的能量大約是EFT的1000倍，但速度只有波形的1/1000。如果還需要涵蓋這些標(biāo)準(zhǔn)，請確保在這些保護(hù)元件的數(shù)據(jù)手冊上表明，它們可以應(yīng)對這個(gè)問題。

電路保護(hù)概述

雖然看起來事后在電路中添加RC濾波器或TVS二極管并不難，但請注意，本文中提到的所有其他因素會影響系統(tǒng)性能和保護(hù)級別。這包括布局、前端使用的器件，以及需要滿足的IEC標(biāo)準(zhǔn)。如果您從開始就謹(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。

本文遠(yuǎn)非全面綜述。靈敏度話題將在后續(xù)文章中進(jìn)行更深入的討論。此外，基站接收器設(shè)計(jì)的其他挑戰(zhàn)包括自動(dòng)增益控制(AGC)算法、信道估計(jì)和均衡算法等。我們后續(xù)還將推出一系列技術(shù)文章，目的是簡化設(shè)計(jì)流程并提升大家對接收器系統(tǒng)的理解。

參考文獻(xiàn)

作者感謝國際電工委員會(IEC)允許其引用國際標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)信息。所有這些摘錄內(nèi)容均為IEC（瑞士日內(nèi)瓦）版權(quán)所有。保留所有權(quán)利。有關(guān)IEC的更多信息，請?jiān)L問iec.ch。IEC不對作者引用摘錄內(nèi)容的位置和上下文負(fù)責(zé)，也不以任何方式對其中的其他內(nèi)容或準(zhǔn)確性負(fù)責(zé)。

IEC 61000-4-2，版本2.0 
? 2008 IEC瑞士日內(nèi)瓦，版權(quán)所有。www.iec.ch

IEC 61000-4-4，版本3.0
? 2012 IEC瑞士日內(nèi)瓦，版權(quán)所有。www.iec.ch

IEC 61000-4-5，版本3.1
? 2017 IEC瑞士日內(nèi)瓦，版權(quán)所有。www.iec.ch

作者簡介

Tony持有加州州立大學(xué)奇科分校頒發(fā)的電氣工程學(xué)士學(xué)位，以及計(jì)算機(jī)工程、物理和數(shù)學(xué)輔修學(xué)位。他具有制造工業(yè)自動(dòng)化的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。他任職于ADI公司的精密放大器部門，個(gè)人興趣愛好非常廣泛。聯(lián)系方式：tony.pirc@analog.com。