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(guò)應(yīng)力 （EOS） 及其對(duì)系統(tǒng)的影響。雖然本文針對(duì)的是系統(tǒng)中引起的特定類型的電應(yīng)力，但這些信息仍然可以應(yīng)用于各種場(chǎng)景。

這個(gè)話題很重要，因?yàn)槿绻麤](méi)有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，即使是最好的電路也會(huì)降低性能或被 EOS 破壞。

什么是 EOS？

EOS 是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，用于描述一個(gè)系統(tǒng)因過(guò)多的電子試圖進(jìn)入您的電路而受到壓力。重要的是要記住，這是權(quán)力和時(shí)間的函數(shù)。

將復(fù)雜電路抽象為一個(gè)消耗功率的簡(jiǎn)單組件（例如電阻器）可能會(huì)有所幫助。在額定功率為 1 W 的 1 Ω 電阻器上施加 1.1 V 電壓，功耗方程為

告訴我們 1.21 W 正在消散。雖然電阻器的額定功率為 1 W，但它可能內(nèi)置了一些余量，因此您可以暫時(shí)擺脫它。不過(guò)，可能不會(huì)永遠(yuǎn)。

如果將電壓增加到 2 V 會(huì)怎樣？考慮到它的耗散量是上一個(gè)示例的四倍，聰明的錢是在用作空間加熱器的電阻器上，時(shí)間非常有限 - 請(qǐng)記住：

如果您將該電壓增加到 10 V，但僅持續(xù) 10 ms，會(huì)怎樣？這就是事情變得有趣的地方——如果不了解它以及它的設(shè)計(jì)目的是什么，就無(wú)法真正說(shuō)出對(duì)零件的影響。現(xiàn)在我們可以將這些知識(shí)應(yīng)用于整個(gè)組件系統(tǒng)。

什么易受 EOS 影響？

一般來(lái)說(shuō)，任何有電子設(shè)備的東西都容易受到 EOS 的影響。特別脆弱的部件是與外界交互的部件，因?yàn)樗鼈兒芸赡苁紫瓤吹届o電放電 （ESD）、雷擊等。我們感興趣的是 USB 端口、示波器的模擬前端以及最新高性能物聯(lián)網(wǎng)攪拌機(jī)的充電端口等部件。

我們?cè)趺粗酪婪妒裁矗?/p>

雖然我們知道我們想要保護(hù)系統(tǒng)免受電氣過(guò)載的影響，但這個(gè)術(shù)語(yǔ)過(guò)于寬泛，在決定如何保護(hù)我們的系統(tǒng)時(shí)無(wú)濟(jì)于事。這就是為什么 IEC（和許多其他組織）的優(yōu)秀人員努力找出我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中可能遇到的 EOS 類型。我們將專注于 IEC 規(guī)范，因?yàn)樗鼈兒w了廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，并且圍繞它們的混亂證明了本出版物的合理性。表 1 顯示了三個(gè)規(guī)范，這些規(guī)范定義了系統(tǒng)可能遇到的 EOS 條件類型。雖然這里只深入討論 ESD，但我們也應(yīng)該熟悉電快速瞬變 （EFT） 和浪涌。

圖 1. 8 kV 時(shí)的理想接觸放電電流波形。

圖 2a 和 2b。符合 IEC61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)的電氣快速瞬態(tài) 4 級(jí)波形。

圖 3. IEC61000-4-5 浪涌在 8 μs/20 μs 電流波形下歸一化。

制造集成電路的人不是已經(jīng)對(duì)芯片進(jìn)行了ESD保護(hù)嗎？

對(duì)此不滿意的答案是肯定的和否定的。是的，這些芯片的設(shè)計(jì)目的是在制造過(guò)程中處理 ESD，而不是在系統(tǒng)和供電的情況下處理 ESD。這種區(qū)別非常重要，因?yàn)楫?dāng)放大器通電時(shí)，它在暴露于靜電時(shí)的行為可能與未連接任何東西時(shí)的行為非常不同。例如，內(nèi)部保護(hù)二極管可以消除未通電部件上的 ESD 沖擊。然而，帶電部件上的 ESD 沖擊可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的電流超出其設(shè)計(jì)承受能力。根據(jù)部件和電源電壓，這可能會(huì)導(dǎo)致部件自焚。

這是國(guó)際緊急情況！如何保護(hù)我最喜歡的 IC 免受這種迫在眉睫的威脅？

正如我希望你意識(shí)到的那樣，這個(gè)挑戰(zhàn)有很多元素，一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案不能適用于所有情況。以下是決定零件是否能在 EOS 事件中幸存的因素列表。它分為兩組：我們無(wú)法控制的因素和我們可以控制的因素。

我們無(wú)法控制的事情：

IEC 波形：ESD、EFT 和浪涌都有非常不同的曲線，因此它們會(huì)以不同的方式利用設(shè)備的某些弱點(diǎn)。

正在考慮的器件工藝技術(shù)：一些工藝技術(shù)比其他工藝技術(shù)更容易發(fā)生閂鎖。例如，CMOS 工藝容易發(fā)生閂鎖，但有一些方法可以通過(guò)在許多現(xiàn)代工藝中使用的精心設(shè)計(jì)和溝槽隔離來(lái)減輕這種危險(xiǎn)。

正在考慮的設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)：IC 的設(shè)計(jì)方式有很多種，以至于一種適用于其中一種的保護(hù)方案可能不適用于另一種。例如，許多設(shè)備都有定時(shí)電路，如果檢測(cè)到足夠快的波形，就會(huì)開(kāi)啟保護(hù)結(jié)構(gòu)。這可能意味著，如果您在雷擊位置添加足夠的電容，則在 ESD 雷擊中幸存下來(lái)的設(shè)備可能無(wú)法幸免。這種反應(yīng)是違反直覺(jué)的，但意識(shí)到這一點(diǎn)非常重要：一種常見(jiàn)的電路保護(hù)方法 - RC 濾波器 - 可能會(huì)使問(wèn)題變得更糟。

您可以控制的事情：

PCB 布局：您的零件越靠近雷擊位置，它們就越有可能看到更高能量的波形。這是因?yàn)楫?dāng)雷擊波形沿路徑傳播時(shí)，波形正在消耗能量——在從波形路徑輻射出的 EMI、路徑電阻引起的熱量以及與附近導(dǎo)體的寄生電容和電感耦合中。

保護(hù)電路：這是我們可以對(duì)設(shè)備的生存能力產(chǎn)生最有意義影響的地方。上述我們無(wú)法控制的事情將告知我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)保護(hù)方案。

你們有那些很酷的過(guò)電壓保護(hù) （OVP） 和過(guò)壓 （OTT） 功能。我如何使用它們來(lái)防止高壓瞬變？

不！不要那樣做。不是一個(gè)好主意。OVP 和 OTT 功能允許部件的輸入看到超出電源電壓的電壓，而對(duì)部件的損壞為零。依靠這些功能來(lái)防止高壓瞬變就像依靠雨靴來(lái)防止高壓清洗機(jī)一樣。雨靴適用于低于其高度的水坑，就像 OVP 和 OTT 適用于低于其額定值的電壓一樣。OVP 和 OTT 的額定電壓在給定電源軌之外大約幾十伏。這對(duì) 8，000 伏電壓無(wú)濟(jì)于事。

圖 4. IEC-61000-4-2 測(cè)試中的電路表示。

我怎么知道什么保護(hù)電路會(huì)起作用？

通過(guò)結(jié)合使用設(shè)備知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試，我們可以合理地了解在我們的系統(tǒng)中使用的最佳組件是什么。由于各種制造商提供的保護(hù)元件清單令人眼花繚亂，因此我將僅討論兩種已被證明在模擬前端保護(hù)中有效的電路保護(hù)方案。以下方案假設(shè)運(yùn)算放大器采用緩沖器配置。這被認(rèn)為是最嚴(yán)厲的保護(hù)測(cè)試，因?yàn)橥噍斎肟吹剿械臎_擊，沒(méi)有其他區(qū)域可供能量通過(guò)（在安裝保護(hù)之前）。

圖 5. 在模擬輸入端使用低通濾波器進(jìn)行輸入保護(hù)。

注意事項(xiàng)：

R1 應(yīng)該是一個(gè)耐脈沖（厚膜）電阻器，這樣它就不會(huì)因?yàn)楦邏核沧兌p易擊穿。

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)封裝尺寸至少為 0805 的陶瓷電容器，以減輕封裝上的表面電弧。

C1 應(yīng)至少為 X5R（理想情況下為 C0G/NP0）溫度系數(shù)，以保持可預(yù)測(cè)的電容。

C1的串聯(lián)電感和電阻應(yīng)盡可能低，以有效吸收雷擊。

對(duì)于給定的封裝尺寸，C1 的額定電壓應(yīng)盡可能高（最低 100 V）。

在這種情況下，C1 位于 R1 之前，因?yàn)樗褂?150 pF 電容器（來(lái)自圖 5）創(chuàng)建了一個(gè)電容分壓器，將 ESD 波形放電到我們的系統(tǒng)中，從而在放大器看到之前將能量分流出去。

注意：雖然這種前端保護(hù)方法并未得到電容器制造商的認(rèn)可，但已在數(shù)百次放大器測(cè)試中證明它是有效的。ESD 測(cè)試配置文件（如下所述）僅在有限范圍的電容器產(chǎn)品上進(jìn)行了測(cè)試，因此如果使用不同的電容器產(chǎn)品，重要的是要表征它們?nèi)绾翁幚頉_擊，例如通過(guò)測(cè)量 ESD 沖擊前后的電容和串聯(lián)電阻。 該設(shè)備應(yīng)保持電容并在被濫用后始終在直流頻率下打開(kāi)。

圖 6. 在模擬輸入端使用 TVS 二極管進(jìn)行輸入保護(hù)。

注意事項(xiàng)：

與 RC 網(wǎng)絡(luò)相同：R1 應(yīng)該能夠承受脈沖，并且可能需要考慮噪聲。

對(duì)于需要遵守的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)指定 D1。有些可能只涵蓋 ESD，但有些則涵蓋 EFT 和浪涌標(biāo)準(zhǔn)。

D1 應(yīng)該是雙向的，以便它可以處理正面和負(fù)面的打擊。

D1反向工作電壓應(yīng)選擇盡可能高，同時(shí)仍要通過(guò)必要的測(cè)試。太低，它可能會(huì)在正常系統(tǒng)電壓水平期間泄漏電流。太高，它可能在系統(tǒng)損壞之前沒(méi)有反應(yīng)。

但我聽(tīng)說(shuō) TVS 二極管泄漏很多，會(huì)影響我的表現(xiàn)。

模擬電子領(lǐng)域的常識(shí)表明 TVS 二極管存在泄漏，因此不能用于精密模擬前端。事實(shí)并非如此——許多數(shù)據(jù)表會(huì)顯示漏電流 《100 μA，這對(duì)于大多數(shù)模擬人員來(lái)說(shuō)是相當(dāng)高的。這個(gè)數(shù)字的問(wèn)題是它是在最高溫度 （150°C） 下的最大工作電壓下獲取的。在這種情況下，二極管將非常漏電。所有二極管在高于 85°C 時(shí)泄漏更多。只要選擇具有較高反向工作電壓的 TVS 二極管，并且不期望 85°C 以上的低泄漏，就可以期望低得多的泄漏電流。

如果您選擇正確，您可能會(huì)驚訝于 TVS 幾乎沒(méi)有泄漏。圖 7 顯示了測(cè)量具有相同部件號(hào)的 12 個(gè) TVS 二極管的泄漏的數(shù)據(jù)：

圖 7. 36 V 雙向 TVS 二極管的泄漏 - Bournes T36SC 使用 TIA 中的 ADA4530 評(píng)估板，帶有屏蔽和 10 G 電阻器，溫度為 25°C。

在測(cè)量的 12 個(gè) TVS 二極管中，最差的違規(guī)者在 5 V 的直流偏置下有 7 pA 的泄漏。這比數(shù)據(jù)表中最壞情況的情況好 1000 萬(wàn)倍以上。當(dāng)然，不同批次的 TVS 二極管在泄漏方面存在差異，但這至少應(yīng)該說(shuō)明預(yù)期的數(shù)量級(jí)。如果我們的系統(tǒng)不會(huì)看到高于 85°C 的溫度，TVS 二極管可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。如果您選擇此處專門測(cè)試的產(chǎn)品以外的其他產(chǎn)品，請(qǐng)記住表征泄漏。對(duì)于一個(gè)零件或制造商來(lái)說(shuō)可能是正確的，但對(duì)另一個(gè)零件或制造商來(lái)說(shuō)可能不是真的。

測(cè)試結(jié)果：

使用 IEC ESD 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一系列運(yùn)算放大器進(jìn)行了測(cè)試。表 2 顯示了哪些保護(hù)方案保護(hù)了哪些組件。盡管 ESD 標(biāo)準(zhǔn)是 ±8 kV 的 3 次沖擊，但所有這些方案都在 ±9 kV 的 100 次沖擊下通過(guò)，以確保足夠的保護(hù)余量。

IEC 標(biāo)準(zhǔn)要求 ESD 源接地通過(guò)兩個(gè) 470 kΩ 電阻與 30 pF 電容并聯(lián)連接到放大器的接地。這種測(cè)試設(shè)置更加苛刻，因?yàn)?ESD 源的接地直接連接到放大器的接地。這些結(jié)果也在剛剛描述的 IEC 接地耦合方案上得到驗(yàn)證，以增加信心。請(qǐng)記住，由于放大器具有截然不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此適用于此列表中的設(shè)備的方法可能適用于其他設(shè)備，也

可能不適用于其他設(shè)備。建議如果使用其他設(shè)備或其他保護(hù)組件，則對(duì)其進(jìn)行徹底測(cè)試。

使用的保護(hù)組件：

電阻器：松下0805 ERJ-P6系列

電容器：國(guó)巨 0805 100 V C0G/NPO

TVS 二極管：Bourns CDSOD323-T36SC（雙向，36 V，低泄漏，符合 ESD、EFT、浪涌標(biāo)準(zhǔn)）

ESD壓敏電阻：Bourns MLA系列，0603 26 V

額外組件：ESD壓敏電阻

TVS 二極管工作得很好，可以無(wú)限次地被擊打。此功能非常適合 EFT 和浪涌，但如果您只需要 ESD 保護(hù)，請(qǐng)查看 ESD 壓敏電阻 - 它們是極高值的電阻器，直到它們看到一定的電壓，然后它們變成低值電阻器并通過(guò)壓敏電阻分流能量。

它們用于與 TVS 二極管相同的配置。它們泄漏更少，成本不到 TVS 二極管的一半。請(qǐng)注意，它們的設(shè)計(jì)目的不是要承受數(shù)百次打擊，而且每次打擊時(shí)它們的抵抗力都會(huì)降低。ESD 壓敏電阻也在上述產(chǎn)品上進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)串聯(lián)電阻約為安裝 TVS 二極管所需值的兩倍時(shí)，其性能最佳。

EFT 和浪涌呢？

這些產(chǎn)品僅在 ESD 標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行了測(cè)試。EFT 的獨(dú)特之處在于，雖然電壓沒(méi)有那么高（4 kV 及以下），但沖擊以突發(fā)（5 kHz 或更多）和較慢的上升時(shí)間（5 ns）擊中。浪涌的每次沖擊能量大約是 EFT 的 1000 倍，但速度是波形的1/1000 。如果您還需要涵蓋這些標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)確保保護(hù)組件在其數(shù)據(jù)表中聲明他們可以處理這些標(biāo)準(zhǔn)。

電路保護(hù)概述

雖然 RC 濾波器或 TVS 二極管看起來(lái)很容易作為事后的想法在電路中折騰，但請(qǐng)記住本文中提到的所有其他會(huì)影響系統(tǒng)性能和保護(hù)級(jí)別的事情。這包括布局、前端使用的部件以及需要滿足的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)。如果您盡早記住這一點(diǎn)，它可能會(huì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后階段緩解緊急重新設(shè)計(jì)。

本文遠(yuǎn)非全面概述。敏感話題將在我們的后續(xù)文章中得到更深入的探討。此外，基站接收機(jī)設(shè)計(jì)中的其他挑戰(zhàn)包括自動(dòng)增益控制 （AGC） 算法、信道估計(jì)和均衡算法。我們計(jì)劃在本文之后發(fā)布一系列技術(shù)文章，旨在簡(jiǎn)化您的設(shè)計(jì)過(guò)程并提高您對(duì)接收器系統(tǒng)的理解。

審核編輯：郭婷