解決模擬輸入IEC系統(tǒng)保護(hù)問題

簡介

與系統(tǒng)模擬輸入和輸出節(jié)點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)?，F(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) 是用來測量器件承受 ESD 事件的能力的器件級標(biāo)準(zhǔn)。這些測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)點上需要承受高壓瞬變——并且在從器件級標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)以實現(xiàn)高壓瞬變魯棒性時，傳輸?shù)?IC 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)點連接的 IC 也必須采用充分的保護(hù)措施，以承受系統(tǒng)級高壓瞬變。如果在系統(tǒng)設(shè)計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，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)級標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)中涉及高壓瞬變的三個部分為 IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4 和 IEC 61000-4-5。這些是針對靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT) 和浪涌的系統(tǒng)級標(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估電子電氣設(shè)備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

IEC 61000-4-2 測試的主要目的是確定系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對系統(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。IEC 61000-4-2 規(guī)定要使用兩種耦合方法測試：接觸放電和氣隙放電。

IEC 61000-4-4 EFT 測試涉及將快速的瞬變脈沖群耦合到信號線上，以表征與外部開關(guān)電路關(guān)聯(lián)的瞬變干擾，這類電路能夠以容性方式耦合至信號線。這種測試反映了開關(guān)觸點抖動，或者因為感性或容性負(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。

浪涌瞬變通常由開關(guān)操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關(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：低于該值時不會發(fā)生顯著導(dǎo)電現(xiàn)象的電壓

► 擊穿電壓：等于該值時會發(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器件時要考慮多個因素。ESD 或 EFT 事件會產(chǎn)生超快時間 (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)致初始過沖電壓。浪涌事件具有不同的瞬變波形，上升時間緩慢 (1.2 μs)，脈沖持續(xù)時間長 (50 μs);并且在該事件下，將在擊穿電壓下開始箝位電壓，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錯誤、斷電或用戶錯誤導(dǎo)致的任何容許直流過壓，以保護(hù)系統(tǒng)，使其免受該直流過壓事件的影響。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，必須對系統(tǒng)進(jìn)行直流過壓和高壓瞬變保護(hù)。在系統(tǒng)輸入節(jié)點用一個魯棒的精密型過壓保護(hù) (OVP) 開關(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)，因為這樣可以阻斷過壓、抑制未被 TVS 分流到地的剩余電流。

圖 2.OVP 開關(guān)功能框圖。

圖 2 顯示了一個典型過壓保護(hù)開關(guān)的功能框圖;注意，該開關(guān)的 ESD 保護(hù)二極管未以其輸入節(jié)點上的電源電壓為基準(zhǔn)。相反，它有一個 ESD 保護(hù)單元，在超過器件最大承受電壓時激活，使器件能承受并阻斷超過其電源電壓的電壓。由于模擬系統(tǒng)通常只要求開關(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)志為開關(guān)輸出端或漏極端)。這些二極管能帶來額外的好處，因為它們起到輔助保護(hù)器件的作用。在持續(xù)時間較短、上升時間快的高壓瞬變(如 ESD 或 EFT) 過程中，由于瞬變電壓會被箝位，所以電壓不會到達(dá)下游電路。在持續(xù)時間較長、上升時間慢的高壓瞬變(如浪涌)過程中，在開關(guān)過壓保護(hù)功能被激活、開關(guān)斷開、使故障完全與下游電路分離之前，內(nèi)部保護(hù)二極管會箝位開關(guān)的輸出電壓。

圖 3 顯示了一個與外部接口的系統(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內(nèi)。左起第二個區(qū)域(藍(lán)色)表示輸入端可能存在持續(xù)直流或長時間交流過壓的范圍，原因是斷電、接線錯誤或短路。另外，圖中最右側(cè)(紫色)是過壓開關(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)必須小于過壓保護(hù)開關(guān)的最大承受電壓并且大于任何已知的可能持續(xù)直流或長時間交流過壓，以免無意中觸 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 (來自 ADI 公司的 ±55 V 過壓保護(hù)和檢測、四通道單刀雙擲開關(guān))可以承受 ESD、EFT 和浪涌瞬變導(dǎo)致的過壓，過壓保護(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。

保護(hù)網(wǎng)絡(luò)由一個 TVS 和一個可選的低值電阻構(gòu)成。電阻用于實現(xiàn)高電平 ESD 和 EFT 保護(hù)，因為它可以防止過壓開關(guān)的內(nèi)部 ESD 保護(hù)單元在 TVS 箝位輸入節(jié)點上的電壓之前激活。

表 1.測試結(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 空氣放電測試)

圖 4 也展示了高壓瞬變事件過程中的各種電流路徑。大部分電流通過 TVS 器件分流到地(路徑 I1)。路徑 I2 展示的是通過 ADG5412F 輸出節(jié)點上的內(nèi)部 ESD 消耗的電流，同時，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，請參閱 ADI 公司應(yīng)用筆記 AN-1436。

IEC ESD 保護(hù)

圖 5.測試電路

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 所示測試電路上的測試結(jié)果。如前所述，在 TVS 器件將電壓箝位至 54 V 左右之前，源引腳上有一個初始過壓。在此過壓過程中，開關(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 事件的一個脈沖的測量結(jié)果。與 ESD 瞬變過程中發(fā)生的情況類似，在 TVS 器件將電壓箝位至 54 V 左右之前，源引腳上有一個初始過壓。在此過壓過程中，開關(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)點上時的測量結(jié)果。如前所述，源電壓可能增大并超過 TVS 擊穿電壓，一直達(dá)到最大箝位電壓。該電路中的過壓保護(hù)開關(guān)的反應(yīng)時間約為 500 ns，并且在這前 500 ns 的時間內(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?/p>

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，對集成電路模擬輸入和輸出進(jìn)行高壓瞬變保護(hù)。

本文說明了如何設(shè)計系統(tǒng)輸入輸出保護(hù)電路，同時為用戶帶來如下好處：

► 簡化保護(hù)設(shè)計

► 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

► 減小信號路徑中的串聯(lián)電阻阻值

► 由于 TVS 設(shè)計窗口很寬，TVS 選擇更方便

► 達(dá)到下列標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)-級保護(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)直流過壓保護(hù)高達(dá) ±55 V

► 掉電保護(hù)可達(dá) ±55V

附錄

ADI 過壓保護(hù)和檢測產(chǎn)品：±55 V OVP