與系統(tǒng)模擬輸入和輸出節(jié)點(diǎn)相互作用的外部高壓瞬變?nèi)绻麤](méi)有得到充分保護(hù)，可能會(huì)損壞系統(tǒng)內(nèi)的集成電路（IC）?，F(xiàn)代IC的模擬輸入和輸出引腳通常具有高壓靜電放電（ESD）瞬變保護(hù)。人體模型 （HBM）、機(jī)器模型 （MM） 和帶電設(shè)備模型 （CDM） 是用于測(cè)量設(shè)備承受 ESD 事件能力的設(shè)備級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。這些測(cè)試旨在使設(shè)備能夠承受通常在受控環(huán)境中進(jìn)行的制造和PCB組裝過(guò)程。

在惡劣電磁環(huán)境中運(yùn)行的系統(tǒng)需要承受輸入或輸出節(jié)點(diǎn)上的高壓瞬變，當(dāng)從器件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)高壓瞬態(tài)魯棒性時(shí)，傳輸?shù)絀C引腳的能級(jí)存在很大差異。因此，直接與這些系統(tǒng)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)接口的IC也必須得到充分保護(hù)，以承受系統(tǒng)級(jí)高壓瞬變。如果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期未考慮這種保護(hù)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)不足、產(chǎn)品發(fā)布延遲和系統(tǒng)性能下降。本文介紹如何保護(hù)敏感的模擬輸入和輸出節(jié)點(diǎn)免受這些IEC標(biāo)準(zhǔn)瞬態(tài)電平的影響。

圖1.用于精密模擬輸入的IEC系統(tǒng)保護(hù)。

IEC 61000 認(rèn)證

IEC 61000 是在系統(tǒng)級(jí)別涵蓋 EMC 穩(wěn)健性的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)中處理高壓瞬變的三個(gè)部分是IEC 61000-4-2，IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5。這些是靜電放電 （ESD）、電快速瞬變 （EFT） 和浪涌的系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)定義了波形、測(cè)試方法和測(cè)試級(jí)別，用于評(píng)估電氣和電子設(shè)備在這些瞬變下的抗擾度。

IEC 61000-4-2測(cè)試的主要目的是確定系統(tǒng)在運(yùn)行期間對(duì)系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度，例如，如果系統(tǒng)輸入/輸出與帶電的人、電纜或工具接觸。IEC 61000-4-2規(guī)定使用兩種耦合方法進(jìn)行測(cè)試：接觸放電和氣隙放電。

IEC 61000-4-4 EFT 測(cè)試涉及將許多極快的瞬態(tài)脈沖耦合到信號(hào)線上，以表示與電容耦合到信號(hào)線的外部開(kāi)關(guān)電路相關(guān)的瞬態(tài)干擾。該測(cè)試反映了由感性或容性負(fù)載開(kāi)關(guān)引起的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)反彈或瞬變，所有這些都在工業(yè)環(huán)境中很常見(jiàn)。

浪涌瞬變是由開(kāi)關(guān)或雷電瞬變的過(guò)電壓引起的。開(kāi)關(guān)瞬變可能是由電力系統(tǒng)開(kāi)關(guān)、配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障引起的，例如安裝的接地系統(tǒng)的短路和電弧故障。雷電瞬變可能是附近雷擊注入電路的高電流和電壓的結(jié)果。

瞬態(tài)電壓抑制器

TVS的基本參數(shù)：

瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）可用于抑制電壓浪涌。它們用于箝位高壓瞬變，并將大電流分流到敏感電路之外。TVS的基本參數(shù)是：

工作峰值反向電壓：低于該電壓不會(huì)發(fā)生明顯傳導(dǎo)的電壓

擊穿電壓：發(fā)生某些指定傳導(dǎo)的電壓

最大鉗位電壓：傳導(dǎo)指定最大電流時(shí)器件兩端的最大電壓

在系統(tǒng)輸入或輸出上使用TVS設(shè)備時(shí)，必須考慮許多因素。ESD或EFT事件將產(chǎn)生非常快的時(shí)間（1 ns至5 ns）瞬態(tài)波形，導(dǎo)致在TVS器件箝位在其擊穿電壓之前，系統(tǒng)輸入端出現(xiàn)初始過(guò)沖電壓。浪涌事件具有不同的瞬態(tài)波形，具有緩慢上升時(shí)間（1.2 μs）和長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間（50 μs）脈沖，在這種情況下，電壓最初將被箝位在擊穿電壓處，但它可以繼續(xù)增加到TVS最大鉗位電壓。此外，TVS 必須高于任何可能由接線錯(cuò)誤、斷電或用戶錯(cuò)誤引起的容許直流過(guò)壓，以保護(hù)系統(tǒng)免受此直流過(guò)壓事件的影響。這三種情況都可能導(dǎo)致下游電路輸入端出現(xiàn)潛在的破壞性過(guò)壓。

模擬輸入保護(hù)電路

為了充分保護(hù)系統(tǒng)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)，必須保護(hù)系統(tǒng)免受直流過(guò)壓和高壓瞬變的影響。在系統(tǒng)輸入端使用精密、可靠的過(guò)壓保護(hù) （OVP） 開(kāi)關(guān)，結(jié)合 TVS 可以保護(hù)敏感的下游電路（例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器或放大器輸入/輸出），因?yàn)樗捎糜谧柚惯^(guò)壓并抑制未被 TVS 分流到地的剩余電流。

圖2.過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)功能框圖。

圖2顯示了典型過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)的功能框圖;請(qǐng)注意，此開(kāi)關(guān)的輸入節(jié)點(diǎn)上沒(méi)有以電源為基準(zhǔn)的ESD保護(hù)二極管。相反，它具有一個(gè)ESD保護(hù)單元，該保護(hù)單元在器件最大關(guān)斷電壓以上觸發(fā)，從而使器件能夠關(guān)斷并阻止超出其電源電壓的電壓。由于模擬系統(tǒng)通常要求只有開(kāi)關(guān)的外部引腳需要IEC保護(hù)，因此ESD保護(hù)二極管保留在面向內(nèi)部的引腳上（稱為開(kāi)關(guān)輸出或漏極側(cè)）。這些二極管通過(guò)用作二級(jí)保護(hù)器件而受益。在短時(shí)間內(nèi)，具有快速上升時(shí)間的高壓瞬變（如ESD或EFT）時(shí)，瞬態(tài)電壓被箝位，因此電壓不會(huì)到達(dá)下游電路。在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，具有緩慢上升時(shí)間的高壓瞬變類似浪涌，開(kāi)關(guān)的輸出電壓由內(nèi)部保護(hù)二極管箝位，然后激活開(kāi)關(guān)的過(guò)壓保護(hù)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，將故障與下游電路完全隔離。

圖3顯示了與外界接口的系統(tǒng)輸入的工作區(qū)域。最左側(cè)區(qū)域（綠色）表示正常工作，其中輸入電壓在電源電壓范圍之間。左起第二個(gè)區(qū)域（藍(lán)色）表示由于斷電、接線錯(cuò)誤或短路而可能出現(xiàn)的持續(xù)直流或長(zhǎng)時(shí)間交流過(guò)電壓的范圍。圖中最右側(cè)（紫色）還包括過(guò)壓開(kāi)關(guān)內(nèi)部ESD保護(hù)二極管的觸發(fā)電壓。TVS擊穿電壓（橙色）必須選擇小于過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)的最大關(guān)斷電壓，并且也大于任何已知的持續(xù)直流或長(zhǎng)時(shí)間交流過(guò)壓，以避免無(wú)意中觸發(fā)TVS。

圖3.系統(tǒng)操作區(qū)域。

圖4中的以下保護(hù)電路可承受高達(dá)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（ADI公司的±55 V過(guò)壓保護(hù)和檢測(cè)，四通道SPST開(kāi)關(guān)）可以承受ESD、EFT和浪涌瞬變引起的過(guò)壓，而過(guò)壓保護(hù)與漏極保護(hù)二極管相結(jié)合，可保護(hù)和隔離下游電路。表1顯示了ADG5412F可以承受TVS擊穿電壓和電阻的各種組合的高壓瞬變水平。

圖4.保護(hù)電路。

保護(hù)網(wǎng)絡(luò)由TVS和可選的低阻值電阻器組成。需要該電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)更高水平的ESD和EFT保護(hù)，因?yàn)樗梢苑乐惯^(guò)壓開(kāi)關(guān)的內(nèi)部ESD保護(hù)單元在TVS箝位輸入端的電壓之前觸發(fā)。圖4還顯示了高壓瞬態(tài)事件期間的各種電流路徑。大部分電流通過(guò)TVS器件（路徑I1）分流到地。路徑I2顯示通過(guò)ADG5412F輸出端的內(nèi)部ESD二極管耗散的電流，而輸出電壓被箝位至高于電源電壓0.7 V。最后，路徑I3中的電流是下游組件必須承受的剩余電流水平。有關(guān)此保護(hù)電路的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)ADI公司的應(yīng)用筆記AN-1436。

電工電子電氣防靜電保護(hù)

圖5.測(cè)試電路。

圖6和圖7顯示了使用圖5所示測(cè)試電路在8 kV接觸放電和16 kV空氣放電IEC ESD事件期間進(jìn)行的測(cè)量。如前所述，在TVS器件將電壓箝位至約54 V之前，源極引腳上存在初始過(guò)壓。在此過(guò)壓期間，開(kāi)關(guān)漏極處的電壓被鉗位在電源電壓上方0.7 V。漏極電流測(cè)量顯示流入下游器件二極管的電流。脈沖的峰值電流約為680 mA，電流持續(xù)時(shí)間僅為約60 ns。相比之下，峰值電流為660 mA的1 kV HBM ESD沖擊的持續(xù)時(shí)間為500 ns。因此，可以合理地得出結(jié)論，HBM ESD 額定值為 1 kV 的下游組件應(yīng)使用此保護(hù)電路同時(shí)承受 8 kV 接觸放電和 16 kV 空氣放電 IEC ESD 事件。

圖6.8 kV事件期間漏極電壓和輸出電流。

圖7.16 kV 空氣放電事件期間漏極電壓和輸出電流。

電子轉(zhuǎn)帳保護(hù)

圖8是在4 kV EFT事件的一個(gè)脈沖期間進(jìn)行的測(cè)量。與ESD瞬變期間發(fā)生的情況類似，在TVS器件將電壓箝位至約54 V之前，源極引腳上存在初始過(guò)壓。在此過(guò)壓期間，開(kāi)關(guān)漏極處的電壓再次被箝位在電源電壓上方0.7 V。在這種情況入下游器件的脈沖峰值電流僅為420 mA，電流持續(xù)時(shí)間僅為約90 ns。與 HBM ESD 事件相比，750 V HBM ESD 沖擊的峰值電流為 500 mA，持續(xù)時(shí)間為 500 ns。因此，在4 kV EFT事件期間，能量被傳輸?shù)较掠纹骷囊_，小于750 V HBM ESD事件。

圖8.單個(gè)脈沖的 EFT 電流。

浪涌保護(hù)

圖9中的測(cè)量結(jié)果顯示了施加到保護(hù)電路輸入端的4 kV浪涌瞬變的結(jié)果。如前所述，源極處的電壓可能會(huì)超過(guò)TVS的擊穿電壓，直至其最大鉗位電壓。本電路中的過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)的反應(yīng)時(shí)間約為500 ns，在前500 ns時(shí)間段內(nèi)，器件漏極上的電壓被箝位在電源電壓上方0.7 V。在此期間，流向下游器件的峰值電流僅為608 mA，大約500 ns后，開(kāi)關(guān)關(guān)閉并將下游電路與故障隔離。同樣，這小于1 kV HBM ESD事件期間傳輸?shù)哪芰俊?/p>

圖9.在浪涌事件期間運(yùn)行 OVP。

結(jié)論

本文介紹如何保護(hù)集成電路模擬輸入和輸出免受高壓瞬變的影響，如標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5所述。

這些信息為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸入和輸出保護(hù)電路所需的知識(shí)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)勢(shì)：

易于保護(hù)的設(shè)計(jì)

加快上市時(shí)間

由于所需的分立元件數(shù)量減少，保護(hù)電路性能更高

信號(hào)路徑中串聯(lián)電阻值降低

寬大的TVS設(shè)計(jì)窗口，易于選擇TVS

針對(duì)以下標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級(jí)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

高達(dá) ±55 V 的交流和持續(xù)直流過(guò)壓保護(hù)

高達(dá) ±55 V 的斷電保護(hù)

審核編輯：郭婷