RS-485總線電路中的過熱保護(hù)

2 過熱保護(hù)的起因
2．1 故障條件
2．1．1 短路
短路是產(chǎn)生TSD觸發(fā)的最常見故障。短路時(shí)器件結(jié)溫迅速上升，直至超出所推薦的工作條件。短路分為硬短路(低阻抗)和軟短路(中度阻抗)。短路可能在器件總線引腳與電源(電池、穩(wěn)壓電源)、總線引腳與地、總線引腳與總線引腳之間產(chǎn)生，如圖1所
示。硬短路通常導(dǎo)致TSD在器件的低阻抗輸出端觸發(fā)，這是由于驅(qū)動(dòng)器輸出端吸入或源出的電流大大高于正常電流,并且驅(qū)動(dòng)電流通常超出正常工作電流幾個(gè)數(shù)量級(jí)。例如,器件正常工作時(shí)RS-485驅(qū)動(dòng)電流約為30 mA，而短路時(shí)則高于200 mA。軟短路可能導(dǎo)致電路TSD觸發(fā),主要取決于短路阻抗、短路電壓、驅(qū)動(dòng)器輸出能力、器件封裝、電路板的散熱特性以及短路持續(xù)時(shí)間等因素。當(dāng)結(jié)溫超過TSD觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，TSD開啟，線路驅(qū)動(dòng)器輸出關(guān)閉。

2．1．2 總線競(jìng)爭(zhēng)
總線競(jìng)爭(zhēng)屬于數(shù)據(jù)傳輸總線故障，可能導(dǎo)致線路TSD觸發(fā)。當(dāng)掛接在一條數(shù)據(jù)總線上的兩個(gè)或兩個(gè)以上驅(qū)動(dòng)器同時(shí)將總線驅(qū)動(dòng)為相反狀態(tài)時(shí)，則產(chǎn)生總線競(jìng)爭(zhēng)，如圖2所示。總線競(jìng)爭(zhēng)是短路的另一種表現(xiàn)形式,一般是在兩個(gè)或兩個(gè)以上驅(qū)動(dòng)器的總線引腳之間產(chǎn)生,而不是在總線引腳與電源之間或同一驅(qū)動(dòng)器的總線引腳之間產(chǎn)生。地電壓偏置VOFFSET會(huì)加劇總線競(jìng)爭(zhēng),地電壓偏置越大，驅(qū)動(dòng)器之間的電位差越高,則短路電流越大，短路電流超過門限時(shí)驅(qū)動(dòng)器處入短路狀態(tài)。短路電流門限越高，地電壓偏置量恒定時(shí)器件結(jié)溫越高，結(jié)溫超過極限時(shí)TSD觸發(fā)，同時(shí)調(diào)節(jié)器件結(jié)溫。

2．2 雙極型晶體管的熱耗散
雙極型晶體管集電極電流IC具有正溫度系數(shù)。雙極型晶體管溫度越高，輸出電流IC就越大。高溫下，雙極型晶體管內(nèi)部載流子濃度nI，較大。由于IC與nI成正比，因此輸入電壓Vbe相同時(shí)，電流較大。

高溫時(shí)雙極型晶體管輸出電流較大，如果電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，無(wú)法限制輸出電流，容易產(chǎn)生熱失控，如圖3(a)所示。雙極晶體管采用共射極接法，構(gòu)成低側(cè)驅(qū)動(dòng)器，帶小阻值電阻負(fù)載。當(dāng)雙極型晶體管導(dǎo)通時(shí)射極電流增加使結(jié)溫上升，這樣流過雙極晶體管的電流更大。如果大電流使得結(jié)溫進(jìn)一步上升，則形成正反饋,導(dǎo)致溫度和電流無(wú)限上升，直至雙極晶體管由于熱擊穿而被燒壞。通過短路電流(OOS)限制、射極負(fù)反饋和／或熱關(guān)斷等方法來避免雙極晶體管熱失控，且不宜單獨(dú)啟用TSD。如圖3(b)和3
(e)所示。TSD電路應(yīng)與上述方法相配合，最大限度提高承受雙極晶體管熱失控能力。

2．3 高環(huán)境溫度或高信號(hào)速率
環(huán)境溫度過高導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸期間器件結(jié)溫超過絕對(duì)最大額定值，這是過熱的另一種表現(xiàn)。當(dāng)器件從電源吸收足夠電流，造成結(jié)溫升高直至高于環(huán)境溫度時(shí)，啟用TSD電路降低器件結(jié)溫。由于TSD電路能關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器，因此只有當(dāng)線路驅(qū)動(dòng)器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才使用TSD降低器件結(jié)溫。
高信號(hào)傳輸速率也能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸期間器件結(jié)溫超過絕對(duì)最大額定值，這也是過熱的另一表現(xiàn)。由于驅(qū)動(dòng)器的高信號(hào)速率是造成電路功耗過高的主要原因,因此通常使用TSD降低器件結(jié)溫。接收器的功耗通常比驅(qū)動(dòng)器小得多，因此，當(dāng)信號(hào)速率較高時(shí),接收器不會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫大幅上升。
若對(duì)環(huán)境溫度、負(fù)載條件、信號(hào)傳輸速率以及應(yīng)用中電路板的熱環(huán)境遵循器件制造商推薦的參數(shù)進(jìn)行控制，可避免產(chǎn)生上述兩種過熱。

3 過熱保護(hù)的實(shí)施
3．1 驅(qū)動(dòng)器輸出電流與結(jié)溫的關(guān)系
電路設(shè)計(jì)時(shí)加入TSD電路主要是應(yīng)對(duì)某些故障事件。造成結(jié)溫升高的主要故障是短路及總線競(jìng)爭(zhēng)。將驅(qū)動(dòng)器輸出置為三態(tài)可使器件在過熱時(shí)免于損壞,因?yàn)榭蓪?duì)因短路或總線競(jìng)爭(zhēng)事件導(dǎo)致的較高結(jié)溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其暫時(shí)維持一個(gè)較低值。圖4為驅(qū)動(dòng)器輸出電流與結(jié)溫的曲線圖。當(dāng)結(jié)溫升至觸發(fā)點(diǎn)時(shí),TSD發(fā)出信號(hào)使驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入三態(tài)，可使驅(qū)動(dòng)器輸出電流降低至0 mA且結(jié)溫也隨之下降。那么，當(dāng)結(jié)溫降至觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器再次打開。需要注意的是,溫度升高至超過結(jié)溫觸發(fā)點(diǎn)和溫度降低至低于結(jié)溫觸發(fā)點(diǎn)時(shí)均存在遲滯，可避免TSD電路輸出的噪聲和電壓彈跳躍。

3．2 過熱保護(hù)時(shí)驅(qū)動(dòng)器輸出電流與時(shí)間的關(guān)系
圖5為短路時(shí)SN65LBC176A驅(qū)動(dòng)器輸出電流隨時(shí)間變化曲線圖，測(cè)試裝置如圖6所示。示波器的通道1是總線引腳電壓Vbus。通道2是短路時(shí)總線引腳的短路電流。A點(diǎn)，由于短路時(shí)器件結(jié)溫升高導(dǎo)致的熱效應(yīng)使TSD觸發(fā)，驅(qū)動(dòng)器輸出三態(tài),電流降低至0 mA。約2 μs后，電路結(jié)溫下降，驅(qū)動(dòng)器返回B點(diǎn),如果A點(diǎn)后2μs內(nèi)排除故障，驅(qū)動(dòng)器返回到打開狀態(tài)并正常工作。然而，短路依然存在，因此TSD循環(huán)打開和關(guān)閉,直至短路消失。短路消失后驅(qū)動(dòng)器正常工作，而無(wú)需再次對(duì)器件上電。

由圖5看出，TSD的持續(xù)時(shí)間約為4 μs。電流和電壓波形均具有瞬變?cè)肼曅盘?hào)，是由寄生電感、總線電容以及測(cè)試裝置的電阻產(chǎn)生。寄生電感的感應(yīng)沖擊導(dǎo)致總線電壓初始值很高。突變啟動(dòng)電壓、寄生電感、總線電容以及測(cè)試裝置的電阻將導(dǎo)致電壓和電流波形振動(dòng)和衰減，主要取決于LRC時(shí)間常數(shù)。應(yīng)用中傳輸線效應(yīng)使寄生電感減至最低,因此影響并不顯著。
3．3 熱關(guān)斷電路
盡管TSD電路可使器件在短路時(shí)免于損壞,但若此類故障頻繁產(chǎn)生，則TSD電路也無(wú)法保護(hù)器件。TSD電路主要用途是使器件免受短時(shí)間故障損壞，僅增加了可靠性。因此，建議設(shè)計(jì)人員應(yīng)限制短時(shí)間故障的次數(shù)，從而保證長(zhǎng)期的可靠性。
3．4 結(jié)溫調(diào)節(jié)
短路電流(IOS)限制、電壓模式檢測(cè)、電流折返3種技術(shù)可用于結(jié)溫調(diào)節(jié)。RS-485等數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)通常需要限制IOS，可防止器件供電電源吸收電流過大，使器件不會(huì)由于故障立即損壞。由于TSD電路的時(shí)間常數(shù)比IOS限制電路的時(shí)間常數(shù)大，因此IOS限制是結(jié)溫調(diào)節(jié)的主要措施。IOS電路可立即工作，而觸發(fā)TSD電路則需要數(shù)百毫秒到幾秒鐘的時(shí)間。當(dāng)器件的總線I／O電壓超出推薦工作條件時(shí),可采用電壓模式檢測(cè)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器輸出。Vbus增加時(shí)IOS下降，采用電流折返調(diào)節(jié)器件功耗。SN65HVD2X系列器件如SN65HVD20、SN65HVD21、SN65HVD22、SN65HVD23和SN65HVD24均支持此類短路限制。電流折返不僅限制功耗，更是為了使驅(qū)動(dòng)器能夠在驅(qū)動(dòng)共模負(fù)載時(shí)保持導(dǎo)通。例如SN65HVD2X系列器件支持-20 V～+25 V的總線電壓，當(dāng)總線電壓低于-20 V或超出+25 V時(shí)，檢測(cè)啟動(dòng)電壓模式,但不會(huì)限制支持的共模電壓范圍內(nèi)的功耗。

4 過熱保護(hù)的可靠性
為了保護(hù)器件，需使用TSD電路實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。當(dāng)器件由于某些故障而處于過熱時(shí),TSD電路以及其他電路(包括穩(wěn)壓器)是可靠的解決方案。
4．1不同熱關(guān)斷觸發(fā)點(diǎn)
理論上TSD觸發(fā)點(diǎn)可以不同,是TSD保護(hù)器件不受過熱損壞的主要因素。如果TSD在高溫下觸發(fā)，會(huì)危及器件的可靠性。如果TSD在低溫下觸發(fā),則會(huì)干擾器件正常工作。構(gòu)建TSD電路的具體方式取決于不同的觸發(fā)點(diǎn)。
器件參數(shù)指標(biāo)中一般未給出熱關(guān)斷觸發(fā)點(diǎn)。原因在于：第一，TSD觸發(fā)點(diǎn)的生產(chǎn)試驗(yàn)周期很長(zhǎng),成本過高。TSD需要幾百毫秒到幾秒鐘才觸發(fā),具體由硅的熱時(shí)間常數(shù)決定。對(duì)于RS一485器件,通常試驗(yàn)時(shí)間為數(shù)百毫秒，因此，TSD觸發(fā)點(diǎn)未經(jīng)生產(chǎn)測(cè)試。第二，通過模擬或手工方式計(jì)算的TSD觸發(fā)點(diǎn)極值通常并不精確。主要在于仿真模型和工藝技術(shù)數(shù)據(jù)一般僅限于溫度不大于150C。TSD電路在高于150C觸發(fā)時(shí)，模擬器或手工計(jì)算無(wú)法很好地對(duì)其仿真。TSD電路通常用簡(jiǎn)化公式來設(shè)計(jì),手動(dòng)歸一化，然后在硅中調(diào)整規(guī)定的觸發(fā)點(diǎn)。如果將額定觸發(fā)點(diǎn)刻意調(diào)整至低于150C，模擬器可以給出有關(guān)TSD觸發(fā)點(diǎn)相對(duì)變化情況的信息。但是，不能提供絕對(duì)觸發(fā)點(diǎn)的精確信息，除非模擬器設(shè)計(jì)為工作在150C以下，而這并非器件所處的典型環(huán)境。
4．2半導(dǎo)體材料最大允許溫度
4．2．1 硅材料及擴(kuò)散
硅本身能耐受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過150C的高溫。硅的熔點(diǎn)是1 415C。不過，硅的有用溫度范圍受臨界溫度限制，臨界溫度遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)。生產(chǎn)工藝過程中溫度高于150C且遠(yuǎn)低于1 415C時(shí),根據(jù)摻雜濃度的不同，半導(dǎo)體在某溫度點(diǎn)變?yōu)楸菊鲬B(tài)。半導(dǎo)體變?yōu)楸菊鲬B(tài),意味著形成半導(dǎo)體結(jié)的雜質(zhì)的摻雜濃度不再是主導(dǎo)載體濃度。
4．2．2 電子遷移及閉鎖
高溫工作時(shí)還需要考慮電子遷移和閉鎖。當(dāng)半導(dǎo)體長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下且流過大電流時(shí)，發(fā)生電子遷移,導(dǎo)致金屬系統(tǒng)或互連半導(dǎo)體成為高阻狀態(tài)。溫度恒定時(shí)，如果施加足夠大的電流且時(shí)間足夠長(zhǎng)，金屬會(huì)變成阻性,最終熔斷并導(dǎo)致器件發(fā)生故障。高溫會(huì)加劇電子遷移，影響器件的長(zhǎng)期可靠性，且與依靠TSD來應(yīng)對(duì)的短時(shí)間故障無(wú)關(guān)。
閉鎖是器件I／O或電源從I／O端連接的電源或器件電源吸收大量電流(通常為數(shù)百毫安秒)時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象。引腳流出超過絕對(duì)最大額定值電流的時(shí)間太長(zhǎng)或交流信號(hào)耦合機(jī)制的影響會(huì)造成閉鎖。電源電壓瞬變引發(fā)器件閉鎖,導(dǎo)致I／O端出現(xiàn)振鈴，振鈴
信號(hào)能量耦合I／O從而使其閉鎖。閉鎖的破壞性，取決于鎖存引腳的阻抗、鎖存時(shí)電源阻抗及兼容性以及結(jié)溫。軟閉鎖不會(huì)破壞器件，但需要電源復(fù)位。閉鎖是由半導(dǎo)體內(nèi)部的雙極性結(jié)引起的，由于雙極增益隨溫度增加,因此高溫時(shí)容易誘發(fā)閉鎖事件。TSD電路可使器件結(jié)溫保持在合理的水平，有助于防止閉鎖。
4.2．3 封裝材料
過熱應(yīng)力下需要考慮封裝部分如引線框架、塑封料及焊線的材料。新興的綠色和無(wú)鉛化合物支持高焊接溫度，允許在260C時(shí)短時(shí)焊接，濕度敏感等級(jí)為1。然而，綠色和無(wú)鉛型塑封料也會(huì)降低高溫儲(chǔ)存壽命(HTSL)。
4．2．4長(zhǎng)期高溫的影響
新興的綠色和無(wú)鉛塑封料在140C時(shí)的HTSL限制約為10年。在可靠性測(cè)試中可導(dǎo)致器件失效的主要機(jī)制是kirkendall空洞現(xiàn)象。隨著時(shí)間推移，半導(dǎo)體中連接焊線和焊盤的球鍵強(qiáng)度會(huì)被塑封料減弱。一旦球形結(jié)點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度減弱到一定程度，就變?yōu)殚_路，最終導(dǎo)致器件故障。在對(duì)抗kirkendall空洞方面，銅的鍵合強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于摻銅鋁焊盤。
負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTl)也是造成器件高溫故障的一個(gè)重要原因。pMOS晶體管參數(shù)有較大漂移，NBTI便是其中一種表現(xiàn)形式。測(cè)試NBTI時(shí)，pMOS的柵極負(fù)壓偏置，其他端均為地電位(圖7)，測(cè)試裝置處于高溫。pMOS的參數(shù)在時(shí)間零點(diǎn)測(cè)量，通過測(cè)試確定這些條件下的參數(shù)偏移度，從而定義NBTI。溫度和偏置電壓足夠高時(shí)，pMOS的NBTI可以限制或完全影響晶體管性能。注意：由于pMOSNBTI的影響，閾值電壓Vt、電流驅(qū)動(dòng)Id、和柵極電容Cg的漂移比較明顯。

4．2．5 半導(dǎo)體材料最大允許溫度
器件結(jié)溫較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)許多潛在的危險(xiǎn)因素。采用綠色和無(wú)鉛封裝以及標(biāo)準(zhǔn)銅摻鋁焊墊時(shí)器件的HTSL較低，最有可能引發(fā)長(zhǎng)期可靠性問題，因?yàn)樾纬蒶irkendall空洞效應(yīng)的溫度低于造成電子遷移的溫度。TSD電路調(diào)節(jié)器件結(jié)溫，可防止短路故障。TSD也有助于預(yù)防閉鎖。如果器件持續(xù)短路，TSD有助于器件持續(xù)工作更長(zhǎng)的時(shí)間，但不能指望TSD可使器件始終在故障下工作。

5 結(jié)束語(yǔ)
在某些短時(shí)間故障下，TSD電路具有保護(hù)器件的功能。雖然TSD有助于器件長(zhǎng)期可靠性，但它們并不是專門用于改善長(zhǎng)期可靠性的。在器件的建議工作條件下正確使用是增強(qiáng)長(zhǎng)期可靠性的唯一途徑。故障時(shí)短時(shí)間工作在絕對(duì)最大額定值是允許的,但長(zhǎng)期工作在絕對(duì)最大額定條件下可能會(huì)影響器件的可靠性。
大多數(shù)TSD電路根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)計(jì),因?yàn)榉抡嫫髦幌抻诠ぷ髟跍囟鹊陀赥SD觸發(fā)點(diǎn)的環(huán)境。TSD電路的觸發(fā)點(diǎn)范圍相當(dāng)嚴(yán)格，應(yīng)保護(hù)器件同時(shí)不應(yīng)干擾正常工作。可采用多種反應(yīng)速度快于TSD的技術(shù)來進(jìn)一步限制器件結(jié)溫,從而保護(hù)器件。