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< 100?A,,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。