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當(dāng)電子元件性能下降:如何保護(hù)您的模擬前端

作者:Tony Pirc,ADI公司 時間:2019-10-08 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

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載(EOS)及其對系統(tǒng)的影響。雖然本文針對系統(tǒng)中產(chǎn)生的特定類型電應(yīng)力,但是這些信息也適用于各種場景。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201910/405498.htm

這個問題很重要,因?yàn)槿绻患右赃m當(dāng)保護(hù),即使是最好的電路也會性能下降,或因電氣過載受損。

何謂EOS?

EOS是一個通用術(shù)語,表示因?yàn)檫^多的電子通過相應(yīng)路徑試圖進(jìn)入電路,導(dǎo)致系統(tǒng)承受過大壓力。有一點(diǎn)需要注意,這是一個隨功率和時間變化的函數(shù)。

如果我們將復(fù)雜電路看作一個簡單的消耗功率的元件,例如,將它視為一個電阻。在額定功率為1 W的1 Ω電阻上施加1.1 V電壓,計(jì)算功耗的公式如下:

image.png

計(jì)算得出,消耗的功率為1.21 W。雖然電阻的額定功率為1 W,但是可能存在一些余量,所以暫時不用擔(dān)心這一點(diǎn)。但并不能夠始終如此。

將電壓增加到2 V,會出現(xiàn)什么情況?如果功耗達(dá)到之前示例的4倍,那么電阻可能會像一個空間加熱器在很有限的時間內(nèi)提高環(huán)境溫度,但是請記住這個公式:

image.png

如果將電壓增加到10 V,但僅持續(xù)10毫秒呢?有趣的地方就在這里:如果不了解部件,以及設(shè)計(jì)處理部件的目的,您就無法真正了解會對該部件產(chǎn)生什么影響。現(xiàn)在,我們來看整個元件系統(tǒng)。

哪些部分易受EOS影響?

一般而言,任何包含電子元件的部分都容易受到EOS影響。特別薄弱的部分是那些與外界的接口,因?yàn)樗鼈兒芸赡苁亲钕冉佑|到靜電放電(ESD)、雷擊等的部分。我們感興趣的部件包括USB端口、示波器的模擬前端,以及最新的高性能物聯(lián)網(wǎng)混合器的充電端口等。

我們?nèi)绾沃酪婪赌男﹩栴}?

雖然我們知道我們想要保護(hù)系統(tǒng)免受電氣過載,但是這個術(shù)語太寬泛了,對于我們決定如何保護(hù)系統(tǒng)沒有任何幫助。為此,IEC(以及許多其他組織)做了大量工作來弄清楚我們在現(xiàn)實(shí)生活中可能會遇到的EOS類型。我們將重點(diǎn)探討IEC規(guī)范,因?yàn)樗鼈兒w廣泛的市場應(yīng)用,而與該規(guī)范相關(guān)的混亂狀況也說明需要本文來厘清。表1顯示了三個規(guī)范,它們定義了系統(tǒng)可能遇到的EOS狀況類型。在本文中我們只對ESD做深入探討,同時也會讓大家熟悉電快速瞬變(EFT)和浪涌。

表1.IEC規(guī)范

規(guī)范

術(shù)語

真實(shí)模擬

特性

IEC   61000-4-2

靜電放電(ESD)

靜電放電

最高電壓,最短持續(xù)時間,單次沖擊

IEC   61000-4-4

電快速瞬變(EFT)

外部開關(guān)元件(例如,電機(jī)的電感尖峰)

高壓,
  較短的持續(xù)時間,反復(fù)沖擊

IEC   61000-4-5

浪涌

雷擊、電力系統(tǒng)開關(guān)瞬變(例如升壓轉(zhuǎn)換器)

高壓,
 
最長持續(xù)時間

image.png

圖1.8 kV時的理想接觸放電電流波形

image.png


1570520653250964.png

圖2.符合IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)的電快速瞬變4級波形


1570518703775386.png

圖3.IEC61000-4-5浪涌在8 μs/20 μs電流波形位置轉(zhuǎn)為正常狀態(tài)

集成電路制造商沒有對芯片實(shí)施ESD保護(hù)嗎?

問題的答案既肯定又否定,并不那么令人滿意。是的,這些芯片中的保護(hù)主要用于應(yīng)對制造過程中的ESD,而不是在系統(tǒng)通電狀態(tài)下的ESD。這一差異非常重要,因?yàn)樵诜糯笃鬟B接電源和沒連接電源時,其在遭受靜電時的反應(yīng)截然不同。例如,內(nèi)部保護(hù)二極管可消除在無電源供電時對部件的靜電放電沖擊。但是,當(dāng)有電源供電時,對部件的靜電放電沖擊可能會使內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的電流超過其設(shè)計(jì)承受水平。這可能導(dǎo)致該部件損毀,具體由部件和電源電壓決定。

這是全球范圍內(nèi)亟待解決的問題!如何保護(hù)我的IC免受這種潛在威脅?

我希望您能夠意識到,這個挑戰(zhàn)涉及很多因素,一個簡單的解決方案是無法應(yīng)用于所有情況的。下方是一個涉及因素列表,列出了決定部件能否承受EOS事件的因素。這些因素分為兩組:我們無法控制的因素和我們可以控制的因素。

無法控制的因素:

?     IEC波形:ESD、EFT和浪涌的曲線各有不同,它們會以不同的方式攻擊器件的某些弱點(diǎn)。

?     考慮器件的工藝技術(shù):有些工藝技術(shù)比其他技術(shù)更容易發(fā)生閂鎖。例如,CMOS工藝容易發(fā)生閂鎖,但在許多現(xiàn)代工藝中,可以通過精心設(shè)計(jì)和溝槽隔離來減輕這種危害。

?     考慮器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu):集成電路的設(shè)計(jì)方法很多,所以對一種電路有效的保護(hù)方案對另一種可能無效。例如,許多器件都有時序電路,檢測到波形足夠快時,就會啟動保護(hù)結(jié)構(gòu)。這可能意味著,如果您在靜電放電的位置增加更多電容,那么能夠承受靜電放電沖擊的器件可能無法承受這種電容沖擊。這種結(jié)果出乎意料,但認(rèn)識到以下這一點(diǎn)非常重要:常見的電路保護(hù)方法,即RC濾波器,可能會讓情況更糟。

可以控制的因素:

?     PCB布局:部件離沖擊的位置越近,其電能波形就越高。這是因?yàn)?,?dāng)沖擊波形沿某條路徑傳播時,從傳播路徑輻射出去的電磁波會有能量損耗、這是由于路徑電阻產(chǎn)生的熱量以及與周邊導(dǎo)體耦合的寄生電容和電感所導(dǎo)致。

?     保護(hù)電路:這是對器件的生存能力最有意義的部分。上述我們無法控制的因素將會影響我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)保護(hù)方案。

現(xiàn)在有過壓保護(hù)(OVP)和過限額(OTT)特性。我可以利用這些特性來保護(hù)電路不受高壓瞬變影響嗎?

不能!不要這樣做。這不是個好主意。OVP和OTT特性讓部件的輸入在承受超過電源電壓的電壓時,本身不會受到損壞。依靠這些特性來保護(hù)電路不受高壓瞬變影響,就像是依靠雨靴來應(yīng)對高壓沖水機(jī)一樣。雨靴只對水深不超過其高度的淺水沆有效,就像OVP和OTT只適用于比其額定值低的電壓。OVP和OTT的額定電壓比給定的供電軌電壓高幾十伏。它無法抵抗8000V的高壓。

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圖4.IEC-61000-4-2測試中采用的電路

我如何知道保護(hù)電路是否有效?

通過結(jié)合器件知識、經(jīng)驗(yàn)和測試,我們大致可以知道,系統(tǒng)中應(yīng)該采用哪些部件最有利。為了保證器件可控,各家制造商提供了五花八門的保護(hù)組件,我只討論兩種經(jīng)證實(shí)能夠有效保護(hù)模擬前端的電路保護(hù)方案。以下方案假設(shè)采用一個緩沖配置的運(yùn)算放大器。這被認(rèn)為是最嚴(yán)格的保護(hù)測試,因?yàn)橥噍斎霑惺芩袥_擊,除此以外,電能無處可去(安裝保護(hù)電路之前)。

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圖5.通過在模擬輸入端配置低通濾波器實(shí)現(xiàn)輸入保護(hù)

RC網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案


優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

低成本(~5美分)

R1引入熱噪聲

小尺寸

RC網(wǎng)絡(luò)會限制速度

泄漏最少

需要仔細(xì)表征電容的特性


耐受性不強(qiáng),無法承受反復(fù)沖擊

設(shè)計(jì)考量:

?     R1應(yīng)該是一個防脈沖(厚膜)電阻,這樣它在經(jīng)受高壓瞬變時不會輕易毀壞。

?    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,這是一個重要的考慮因素。

?     C1應(yīng)該是一個陶瓷電容,其封裝尺寸至少為0805,以減小封裝的表面電弧。

?     C1至少應(yīng)為X5R類型溫度系數(shù)的電容(理想為C0G/NP0類型),以保持可預(yù)測的電容值。

?    C1內(nèi)部的等效串聯(lián)電感和電阻應(yīng)盡可能低,以便有效吸收沖擊。

?    針對給定的封裝尺寸,C1的額定電壓應(yīng)盡可能高(最低100 V)。

?     在本例中,C1的位置在R1之前,因?yàn)樗鼧?gòu)建了一個電容分壓器,其中150 pF電容(如圖5所示)將ESD波形放電到系統(tǒng)中,這樣在放大器經(jīng)受波形之前,能量已經(jīng)先分流。

注意:雖然這種前端保護(hù)方法并沒有得到電容制造商的認(rèn)可,但在針對放大器的數(shù)百次測試中證明是有效的。ESD測試曲線(如下所述)僅在有限范圍的電容產(chǎn)品上進(jìn)行過測試,因此,如果使用不同的電容產(chǎn)品,需要先表征其應(yīng)對沖擊的特性,例如通過測量經(jīng)受ESD沖擊之前和之后的電容和等效串聯(lián)電阻的方法,這一點(diǎn)非常重要。該電容器件應(yīng)保持容值穩(wěn)定,并且在被沖擊后,始終在直流下保持開路狀態(tài)。


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圖6.通過在模擬輸入端配置TVS二極管實(shí)現(xiàn)輸入保護(hù)

TVS網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

低成本(20到30美分)

R1引入噪聲

小尺寸

D1具有泄漏電流

非常耐用

D1具有電容(5 pF至300 pF)

設(shè)計(jì)考量:

?     與RC網(wǎng)絡(luò)相同:R1應(yīng)能承受脈沖,但可能需要考慮噪聲。

?     應(yīng)該指明D1需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)。有些可能只涵蓋ESD,其他的則涵蓋EFT和浪涌標(biāo)準(zhǔn)。

?     D1應(yīng)該是雙向的,這樣它就可以同時應(yīng)對正負(fù)沖擊。

?     D1反向工作電壓應(yīng)盡可能高,同時仍需通過必要的測試。如果過低,在正常的系統(tǒng)電壓電平下可能出現(xiàn)漏電流。如果過高,則可能無法在系統(tǒng)損壞之前做出反應(yīng)。

但是我聽說TVS二極管經(jīng)常發(fā)生泄漏,這會降低我的性能。

在模擬電子領(lǐng)域,大家都知道TVS二極管容易發(fā)生泄漏,因此不能用于精密模擬前端。但有時情況不是這樣,許多數(shù)據(jù)手冊中的泄漏電流< 100μA,對于大多數(shù)模擬產(chǎn)品這個值是相當(dāng)高的。對于這個數(shù)值,問題在于,它是在最高溫度(150°C)和最大工作電壓下的取值。在這種情況下,二極管極易泄漏。超過85°C,所有二極管的泄漏電流會更高。只要選擇反向工作電壓更高的TVS二極管,且不期望在85°C以上實(shí)現(xiàn)極低漏電流,則有望獲得更低的泄漏電流。

如果您選擇了合適的TVS,泄漏電流值可能低到讓您驚訝。圖7所示為測量12個相同產(chǎn)品型號的TVS二極管時獲得的泄漏數(shù)據(jù)。

image.png

圖7.36 V雙向TVS二極管Bournes T36SC的泄漏值,在TIA中采用ADA4530評估板,帶屏蔽,在25°C時采用10 G電阻

在測量的12個TVS二極管中,在直流偏置電壓為5 V時,最嚴(yán)重的泄漏量為7 pA。這比最壞情況下的數(shù)據(jù)表的值要好千百萬倍。當(dāng)然,不同批次的TVS二極管在泄漏方面存在差異,但這至少可以說明預(yù)期的泄漏幅度。如果我們系統(tǒng)經(jīng)受的溫度不會超過85°C,TVS二極管可能是個不錯的選擇。只要記住,如果您選擇的產(chǎn)品不是本文所述的測試產(chǎn)品,請表征其泄漏特性。對一個部件或制造商而言正確的結(jié)論,對其他部件或制造商可能并不正確。

測試結(jié)果:

采用IEC ESD標(biāo)準(zhǔn)對一系列運(yùn)算放大器進(jìn)行了測試。表2顯示不同保護(hù)方案分別適合保護(hù)的組件。雖然ESD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在±8 kV要保證經(jīng)受三次沖擊,但所有這些方案都通過了在±9 kV時經(jīng)受100次沖擊的測試,以確保提供足夠的保護(hù)余量。

IEC標(biāo)準(zhǔn)要求,通過將兩個470 kΩ電阻與30 pF電容并聯(lián),使ESD源的接地端與放大器的接地端連接在一起。本測試的設(shè)置則更為嚴(yán)格,它將ESD源的接地端與放大器的接地端直接相連。這些結(jié)果也在IEC接地耦合方案中得到了驗(yàn)證,這可以進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)品的可信賴度。請記住,由于放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在很大不同,對本列表中的器件適用的數(shù)據(jù)
可能適用,也可能不適用于其他器件。如果使用其他器件或其他保護(hù)元件,建議對其進(jìn)行全面測試。


表2.通過IEC-61000-4-2測試的器件列表及其各自的保護(hù)配置

產(chǎn)品

特性,帶寬

保護(hù)值

R (Ω)

C (pF)

D (V_WM)

AD823

FET輸入

220

100


16 MHz

68


36

ADA4077

低噪聲,高精度

220

100


3.9 MHz

68


36

ADA4084

低噪聲

220

100


15.9 MHz

68


36

ADA4522

低噪聲,高精度

220

100


2.7 MHz

68


36

ADA4528

低噪聲,高精度

220

100


3 MHz

68


36

ADA4610

低噪聲,高精度

220

100


15.4 MHz

68


36

ADA4622

低噪聲,高精度

220

100


8 MHz

68


36

ADA4625

低噪聲,JFET

220

100


18 MHz

68


36

ADA4661

精密

220

100


4 MHz

68


36

LT1490

微功耗

220

100


200 kHz

68


36

LT6016

低噪聲,高精度,OTT

220

100


3.2 MHz

68


36

LT6018

低噪聲,高精度

220

100


15 MHz

68


36

LT1636

微功耗,OTT

220

100


200 kHz

220


36

LT1638

微功耗,OTT

220

100


1.1 MHz

68


36

LT1494

微功耗,高精度,OTT

220

100


100 Hz

68


36


使用的保護(hù)元件:

?  電阻:Panasonic 0805 ERJ-P6系列

?  電容:Yageo 0805 100 V C0G/NPO

?  TVS二極管:Bourns CDSOD323-T36SC(雙向,36 V,極低漏電流,符合ESD、EFT和浪涌標(biāo)準(zhǔn))

?  ESD壓敏電阻:Bourns MLA系列,0603 26 V

Bonus元件:ESD壓敏電阻

TVS二極管性能良好,可以經(jīng)受無數(shù)次沖擊。這對于EFT和浪涌保護(hù)非常不錯,但是,如果您只需要ESD保護(hù),不妨看看ESD壓敏電阻,在達(dá)到某個電壓值之前,它們都用作高壓電阻,達(dá)到該電壓值之后,它們轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪弘娮?,可以分流掉壓敏電阻中的電能?/p>

可采用與TVS二極管相同的配置。它們的泄漏更少,成本不到TVS二極管的一半。請注意,其設(shè)計(jì)并不要求經(jīng)受數(shù)百次沖擊,且其電阻會隨著每次沖擊下降。ESD壓敏電阻也在上述產(chǎn)品上進(jìn)行了測試,當(dāng)串聯(lián)電阻值約為TVS二極管所需值的兩倍時,該壓敏電阻的性能最佳。

那么EFT和浪涌呢?

這些產(chǎn)品只在ESD標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行過測試。EFT的獨(dú)特之處在于,雖然電壓不高(4 kV及以下),其沖擊卻是爆發(fā)式(5 kHz或以上),上升時間較慢(5 ns)。浪涌每次沖擊的能量大約是EFT的1000倍,但速度只有波形的1/1000。如果還需要涵蓋這些標(biāo)準(zhǔn),請確保在這些保護(hù)元件的數(shù)據(jù)手冊上表明,它們可以應(yīng)對這個問題。

電路保護(hù)概述

雖然看起來事后在電路中添加RC濾波器或TVS二極管并不難,但請注意,本文中提到的所有其他因素會影響系統(tǒng)性能和保護(hù)級別。這包括布局、前端使用的器件,以及需要滿足的IEC標(biāo)準(zhǔn)。如果您從開始就謹(jǐn)記這一點(diǎn),就可以避免在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后階段可能出現(xiàn)需要重新設(shè)計(jì)的緊急狀況。

本文遠(yuǎn)非全面綜述。靈敏度話題將在后續(xù)文章中進(jìn)行更深入的討論。此外,基站接收器設(shè)計(jì)的其他挑戰(zhàn)包括自動增益控制(AGC)算法、信道估計(jì)和均衡算法等。我們后續(xù)還將推出一系列技術(shù)文章,目的是簡化設(shè)計(jì)流程并提升大家對接收器系統(tǒng)的理解。

參考文獻(xiàn)

作者感謝國際電工委員會(IEC)允許其引用國際標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)信息。所有這些摘錄內(nèi)容均為IEC(瑞士日內(nèi)瓦)版權(quán)所有。保留所有權(quán)利。有關(guān)IEC的更多信息,請?jiān)L問iec.ch。IEC不對作者引用摘錄內(nèi)容的位置和上下文負(fù)責(zé),也不以任何方式對其中的其他內(nèi)容或準(zhǔn)確性負(fù)責(zé)。

IEC 61000-4-2,版本2.0 
? 2008 IEC瑞士日內(nèi)瓦,版權(quán)所有。www.iec.ch

IEC 61000-4-4,版本3.0
? 2012 IEC瑞士日內(nèi)瓦,版權(quán)所有。www.iec.ch

IEC 61000-4-5,版本3.1
? 2017 IEC瑞士日內(nèi)瓦,版權(quán)所有。www.iec.ch

作者簡介

Tony持有加州州立大學(xué)奇科分校頒發(fā)的電氣工程學(xué)士學(xué)位,以及計(jì)算機(jī)工程、物理和數(shù)學(xué)輔修學(xué)位。他具有制造工業(yè)自動化的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。他任職于ADI公司的精密放大器部門,個人興趣愛好非常廣泛。聯(lián)系方式:tony.pirc@analog.com。




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