作者：David Forde
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)瞬變保護措施。人體模型(HBM)、機器模型(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。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)準轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級標(biāo)準以實現(xiàn)高壓瞬變魯棒性時，傳輸?shù)絀C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機制，結(jié)果可能導(dǎo)致系統(tǒng)保護不足、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敏感的模擬輸入和輸出節(jié)點，使其免受這些IEC標(biāo)準瞬變的影響。
圖1. 面向精密模擬輸入的IEC系統(tǒng)保護。
IEC 61000
IEC 61000是有關(guān)EMC魯棒性的系統(tǒng)級標(biāo)準。該標(biāo)準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。這些標(biāo)準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。
模擬輸入保護電路
為了全面保護系統(tǒng)輸入/輸出節(jié)點，必須對系統(tǒng)進行直流過壓和高壓瞬變保護。在系統(tǒng)輸入節(jié)點用一個魯棒的精密型過壓保護(OVP)開關(guān)，加上TVS，可以保護靈敏的下游電路（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開關(guān)的功能框圖；注意，該開關(guān)的ESD保護二極管未以其輸入節(jié)點上的電源電壓為基準。相反，它有一個ESD保護單元，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，所以，ESD保護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，過壓保護電路與漏極上的保護二極管共同保護和隔離下游電路。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. 保護電路。
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)該保護電路的更多詳情，請參閱ADI公司應(yīng)用筆記AN-1436。
IEC ESD保護
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)論認為，在采用這種保護電路的條件下，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
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
圖9中是將4 kV浪涌瞬變施加到保護電路輸入節(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，一直達到最大箝位電壓。該電路中的過壓保護開關(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?/font>
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)準的規(guī)定，對集成電路模擬輸入和輸出進行高壓瞬變保護。
本文說明了如何設(shè)計系統(tǒng)輸入輸出保護電路，同時為用戶帶來如下好處：
- 簡化保護設(shè)計
- 加速產(chǎn)品上市
- 提高保護電路性能，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
- 達到下列標(biāo)準的系統(tǒng)-級保護
- 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)直流過壓保護高達±55 V
- 掉電保護可達±55V
附錄
ADI過壓保護和檢測產(chǎn)品：±55 V OVP
作者
David Forde 于2006年畢業(yè)于卡羅理工學(xué)院，獲集成電路設(shè)計專業(yè)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，畢業(yè)后即加盟ADI公司，任布局工程師。2011年，他畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲VLSI系統(tǒng)專業(yè)工程碩士學(xué)位；2015年，他加盟儀器儀表與精密技術(shù)事業(yè)部，任應(yīng)用工程師，為模擬開關(guān)和多路復(fù)用產(chǎn)品系列提供支持。
