【導讀】本文針對系統(tǒng)中產(chǎn)生的特定類型電應力，但是這些信息也適用于各種場景。這個問題很重要，因為如果不加以適當?shù)乇Ｗo，即使是最好的電路也會導致性能下降的情況，或者因為電氣超載而受損。
本文旨在協(xié)助指導系統(tǒng)設計人員了解不同類型的電氣超載(EOS)及其對系統(tǒng)的影響。雖然主要針對系統(tǒng)中產(chǎn)生的特定類型電應力，但是這些信息也適用于各種場景。這個問題很重要，因為如果不加以適當?shù)乇Ｗo，即使是最好的電路也會導致性能下降的情況，或者因為電氣超載而受損。
何謂EOS？
EOS是一個通用的術語，表示因為過多的電子試圖透過相應路徑進入電路，導致系統(tǒng)承受過大壓力。有一點需要注意的是，這是一個隨功率和時間變化的函數(shù)。
如果我們將復雜電路看作一個消耗功率的簡單組件，例如，將它視為一個電阻。在額定功率為1W的1Ω電阻上施加1.1V電壓，計算功耗的公式如下：
根據(jù)該計算可以得出，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，所以暫時不用擔心這一點。但也并不能夠始終如此。
將電壓增加到2V時會出現(xiàn)什么情況呢？如果功耗達到之前示例的4倍，那么電阻可能會像一個空間加熱器在很有限的時間內(nèi)提高環(huán)境溫度，但是請記住這個公式：
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，以及設計處理組件的目的，您就無法真正了解會對該組件產(chǎn)生什么影響。現(xiàn)在，我們來看整個組件系統(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，因為它們很可能是最先接觸到靜電放電(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時的理想接觸放電電流波形。
如何知道要防范哪些問題？
雖然我們知道要保護系統(tǒng)免受電氣超載，但是這個術語太廣泛了，對于決定如何保護系統(tǒng)沒有任何幫助。為此，國際電工委員會(IEC)以及許多其他組織已經(jīng)展開大量工作來弄清楚我們在現(xiàn)實生活中可能會遇到的EOS類型。我們將重點探討IEC規(guī)范，因為它們涵蓋廣泛的市場應用，而與該規(guī)范相關的混亂狀況也說明需要加以厘清。表1顯示了三項規(guī)范，定義了系統(tǒng)可能遇到的EOS狀況類型。盡管本文中只對ESD做深入探討，但也會讓大家熟悉電快速瞬變(EFT)和突波。
圖2：符合IEC61000-4-4標準的電快速瞬變4級波形。
表1：IEC規(guī)范。
IC制造商未對芯片實施ESD保護嗎？
問題的答案是既肯定又否定，看似并不那么令人滿意。沒錯，這些芯片中的保護主要用于因應制造過程中的ESD，而不是在系統(tǒng)通電狀態(tài)下的ESD。這一個差異非常重要，因為在放大器連接電源和沒連接電源時，其于遭受靜電時的反應截然不同。例如，內(nèi)部保護二極管可消除在未供電時對組件的ESD沖擊。但是，當有電源供電時，對組件的ESD沖擊可能會使內(nèi)部結構傳導的電流超過其設計承受水平。這可能導致該組件損毀，具體則由組件和電源電壓決定。
全球亟待解決的問題：如何保護IC免受潛在威脅？
我希望您能夠意識到，這個挑戰(zhàn)涉及很多因素，無法僅以一個簡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：我們無法控制的因素，以及可以人為控制的因素。
無法控制的因素：
IEC波形：ESD、EFT和突波的曲線各有不同，它們會以不同的方式攻擊組件的某些弱點。
考慮組件的制程技術：有些制程技術比其他技術更容易發(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，可以透過精心設計和溝槽隔離等方法減輕這種危害。
考慮組件的內(nèi)部結構：IC的設計方法很多，所以對一種電路有效的保護方案對另一種可能無效。例如，許多組件都有時序電路，檢測到波形夠快時，就會啟動保護結構。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沖擊的組件可能無法承受這種電容沖擊。這種結果出乎意料，但認識到以下這一點則是非常重要的：常見的電路保護方法，即RC濾波器，可能會讓情況更糟。
圖3：IEC61000-4-5突波在8μs/20μs電流波形位置轉為正常狀態(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。這是因為當沖擊波形沿某條路徑傳播時，從傳播路徑輻射出去的電磁波(EMI)會產(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體耦合的寄生電容和電感所導致的。
保護電路：這是對組件的生存能力最有意義的部分。上述無法控制的因素將會影響我們?nèi)绾卧O計保護方案。
利用OVP和OTT保護電路？
現(xiàn)在有過壓保護(OVP)和過限額(OTT)特性。我可以利用這些特性來保護電路不受高壓瞬變影響嗎？ 不能！請不要這么做。這不是個好主意。OVP和OTT特性讓組件的輸入在承受超過電源電壓的電壓時，本身不會受到損壞。依靠這些特性來保護電路不受高壓瞬變影響，就像是依靠雨靴來因應高壓清洗機一樣。雨靴只對水深不超過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，無法抵抗8,000V的高壓。
如何知道保護電路是否有效？
透過結合組件知識、經(jīng)驗和測試，大致可以知道系統(tǒng)中應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的保護組件，在此只討論兩種經(jīng)證實能夠有效保護模擬前端的電路保護方案。以下方案假設采用一個緩沖配置的運算放大器。這被認為是最嚴格的保護測試，因為同相輸入會承受所有沖擊，除此以外，電能無處可去(安裝保護電路之前)。
圖4：IEC-61000-4-2測試中采用的電路。
設計考慮：
R1應該是一個防脈沖(厚膜)電阻，這樣在經(jīng)受高壓瞬變時不會輕易毀壞。
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，這是一個重要的考慮因素。
C1應該是一個陶瓷電容，其封裝尺寸至少為0805，以減小封裝的表面電弧。
C1至少應為X5R類型溫度系數(shù)的電容(理想為C0G/NP0類型)，以保持可預測的電容值。
C1內(nèi)部的等效串聯(lián)電感和電阻應盡可能低，以便有效吸收沖擊。
針對給定的封裝尺寸，C1的額定電壓應盡可能高(最低100V)。
在本例中，C1的位置在R1之前，因為它建構了一個電容分壓器，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：透過在模擬輸入端配置低通濾波器實現(xiàn)輸入保護。
表2：RC網(wǎng)絡保護方案。
值得注意的是，雖然這種前端保護方法并沒有得到電容制造商的認可，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)品上進行過測試，因此，如果使用不同的電容產(chǎn)品，需要先表征其因應沖擊的特性，例如透過測量經(jīng)受ESD沖擊之前和之后的電容和等效串聯(lián)電阻的方法，這一點非常重要。該電容組件應保持容值穩(wěn)定，并且在受沖擊后，始終在直流(DC)下保持開路狀態(tài)。
設計考慮：
與RC網(wǎng)絡相同：R1應能承受脈沖，但可能需要考慮噪聲。
應該指明D1需要滿足的標準。有些可能只涵蓋ESD，其他的則涵蓋EFT和突波標準。
D1應該是雙向的，這樣它就可以同時因應正負沖擊。
D1反向工作電壓應盡可能高，同時仍需透過必要的測試。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。
TVS二極管泄漏將會降低性能？
但是，我聽說TVS二極管經(jīng)常發(fā)生泄漏，這會降低性能。
在模擬電子領域，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。但有時情況不是這樣，許多產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中的泄漏電流 < 100µA，對于大多數(shù)模擬產(chǎn)品這個值是相當高的。對于這個數(shù)值的問題在于，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以上實現(xiàn)極低漏電流，則有望獲得更低的泄漏電流。
圖6：透過在模擬輸入端配置TVS二極管實現(xiàn)輸入保護。
表3：TVS網(wǎng)絡保護方案。
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所示為測量12個相同產(chǎn)品型號的TVS二極管時獲得的泄漏資料。
圖7：36V雙向TVS二極管——Bournes T36SC的泄漏值，在TIA中采用ADA4530評估板與屏蔽，以及在25℃時采用10G電阻。
在測量的12個TVS二極管中，DC偏置電壓為5V時，最嚴重的泄漏量為7pA。這比最壞情況下數(shù)據(jù)表的值要好千百萬倍。當然，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期的泄漏幅度。如果系統(tǒng)承受的溫度不超過85°C，TVS二極管可能是個不錯的選擇。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。對一個組件或制造商而言正確的結論，對其他組件或制造商可能并不正確。
測試結果：
采用IEC ESD標準對一系列運算放大器進行了測試。表4顯示不同保護方案分別適合保護的組件。雖然ESD標準規(guī)定在±8kV要保證經(jīng)受三次沖擊，但所有受測試的方案都通過了在±9kV時經(jīng)受100次沖擊的測試，以確保提供足夠的保護余量。
表4：通過IEC-61000-4-2測試的組件列表及其各自的保護配置。
IEC標準要求透過將兩個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。這項測試的設定則更為嚴格，它將ESD電源的接地端與放大器的接地端直接相連。這些結果也在IEC接地耦合方案中得到了驗證，而可以進一步增強產(chǎn)品的可信賴度。請記住，由于放大器的內(nèi)部結構存在很大不同，對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組件，建議對其進行全面測試。
使用的保護組件：
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和突波標準)
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，可以耐受無數(shù)次的沖擊。這對于EFT和突波保護而言非常不錯，但是，如果您只需要ESD保護，那么不妨看看ESD壓敏電阻，在達到某個電壓值之前，它們都用作高壓電阻，達到該電壓值之后，它們就轉變?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。請注意，其設計并不要求經(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)品上進行了測試，當串聯(lián)電阻值約為TVS二極管所需值的兩倍時，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標準下進行過測試。EFT的獨特之處在于，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準，請確保在保護組件的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊上表明它們可以因應這個問題。
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)性能和保護級別。這包括布局、前端使用的組件，以及需要滿足的IEC標準。如果您從開始就謹記這一點，就可以避免在系統(tǒng)設計的最后階段可能出現(xiàn)需要重新設計的緊急狀況。
