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当电子组件性能下降,如何保护您的模拟前端?

2019-09-25 Tony Pirc,ADI精密放大器部门 阅读:
当电子组件性能下降,如何保护您的模拟前端?
本文针对系统中产生的特定类型电应力,但是这些信息也适用于各种场景。这个问题很重要,因为如果不加以适当地保护,即使是最好的电路也会导致性能下降的情况,或者因为电气超载而受损…

本文旨在协助指导系统设计人员了解不同类型的电气超载(EOS)及其对系统的影响。虽然主要针对系统中产生的特定类型电应力,但是这些信息也适用于各种场景。这个问题很重要,因为如果不加以适当地保护,即使是最好的电路也会导致性能下降的情况,或者因为电气超载而受损。Qrcednc

何谓EOS?

EOS是一个通用的术语,表示因为过多的电子试图透过相应路径进入电路,导致系统承受过大压力。有一点需要注意的是,这是一个随功率和时间变化的函数。Qrcednc

如果我们将复杂电路看作一个消耗功率的简单组件,例如,将它视为一个电阻。在额定功率为1W的1Ω电阻上施加1.1V电压,计算功耗的公式如下:Qrcednc

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根据该计算可以得出,消耗的功率为1.21W。虽然电阻的额定功率为1W,但是可能存在一些余量,所以暂时不用担心这一点。但也并不能够始终如此。Qrcednc

将电压增加到2V时会出现什么情况呢?如果功耗达到之前示例的4倍,那么电阻可能会像一个空间加热器在很有限的时间内提高环境温度,但是请记住这个公式:Qrcednc

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如果将电压增加到10V,但仅持续10毫秒(ms)呢?有趣的地方就在这里:如果不了解组件,以及设计处理组件的目的,您就无法真正了解会对该组件产生什么影响。现在,我们来看整个组件系统。Qrcednc

哪些部分易受EOS影响?

一般而言,任何包含电子组件的部分都容易受到EOS影响。特别薄弱的部分是那些与外界的接口,因为它们很可能是最先接触到静电放电(ESD)、雷击等的部分。我们感兴趣的组件包括USB端口、示波器的模拟前端,以及最新的高性能物联网(IoT)混合器充电埠等。Qrcednc

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图1:8kV时的理想接触放电电流波形。Qrcednc

如何知道要防范哪些问题?

虽然我们知道要保护系统免受电气超载,但是这个术语太广泛了,对于决定如何保护系统没有任何帮助。为此,国际电工委员会(IEC)以及许多其他组织已经展开大量工作来弄清楚我们在现实生活中可能会遇到的EOS类型。我们将重点探讨IEC规范,因为它们涵盖广泛的市场应用,而与该规范相关的混乱状况也说明需要加以厘清。表1显示了三项规范,定义了系统可能遇到的EOS状况类型。尽管本文中只对ESD做深入探讨,但也会让大家熟悉电快速瞬变(EFT)和突波。Qrcednc

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图2:符合IEC61000-4-4标准的电快速瞬变4级波形。Qrcednc

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表1:IEC规范。Qrcednc

IC制造商未对芯片实施ESD保护吗?

问题的答案是既肯定又否定,看似并不那么令人满意。没错,这些芯片中的保护主要用于因应制造过程中的ESD,而不是在系统通电状态下的ESD。这一个差异非常重要,因为在放大器连接电源和没连接电源时,其于遭受静电时的反应截然不同。例如,内部保护二极管可消除在未供电时对组件的ESD冲击。但是,当有电源供电时,对组件的ESD冲击可能会使内部结构传导的电流超过其设计承受水平。这可能导致该组件损毁,具体则由组件和电源电压决定。Qrcednc

全球亟待解决的问题:如何保护IC免受潜在威胁?

我希望您能够意识到,这个挑战涉及很多因素,无法仅以一个简单的解决方案套用在所有情况。以下是所涉及的因素列表,包括决定组件能否承受EOS事件的各种因素。这些因素分为两组:我们无法控制的因素,以及可以人为控制的因素。Qrcednc

无法控制的因素:Qrcednc

  • IEC波形:ESD、EFT和突波的曲线各有不同,它们会以不同的方式攻击组件的某些弱点。
  • 考虑组件的制程技术:有些制程技术比其他技术更容易发生闩锁。例如,CMOS制程容易发生闩锁,但在许多现代制程中,可以透过精心设计和沟槽隔离等方法减轻这种危害。
  • 考虑组件的内部结构:IC的设计方法很多,所以对一种电路有效的保护方案对另一种可能无效。例如,许多组件都有时序电路,检测到波形够快时,就会启动保护结构。这可能意味着,如果您在ESD的位置增加更多电容,那么能够承受ESD冲击的组件可能无法承受这种电容冲击。这种结果出乎意料,但认识到以下这一点则是非常重要的:常见的电路保护方法,即RC滤波器,可能会让情况更糟。

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图3:IEC61000-4-5突波在8μs/20μs电流波形位置转为正常状态。Qrcednc

可以控制的因素:Qrcednc

  • PCB布局:组件离冲击的位置越近,其电能波形就越高。这是因为当冲击波形沿某条路径传播时,从传播路径辐射出去的电磁波(EMI)会产生能量损耗、这是由于路径电阻产生的热量以及与周边导体耦合的寄生电容和电感所导致的。
  • 保护电路:这是对组件的生存能力最有意义的部分。上述无法控制的因素将会影响我们如何设计保护方案。

利用OVP和OTT保护电路?

现在有过压保护(OVP)和过限额(OTT)特性。我可以利用这些特性来保护电路不受高压瞬变影响吗? 不能!请不要这么做。这不是个好主意。OVP和OTT特性让组件的输入在承受超过电源电压的电压时,本身不会受到损坏。依靠这些特性来保护电路不受高压瞬变影响,就像是依靠雨靴来因应高压清洗机一样。雨靴只对水深不超过其高度的浅水坑有效,就像OVP和OTT只适用于比其额定值低的电压。OVP和OTT的额定电压比给定的供电轨电压高几十伏,无法抵抗8,000V的高压。Qrcednc

如何知道保护电路是否有效?

透过结合组件知识、经验和测试,大致可以知道系统中应该采用哪些组件最有利。为了保证组件可控,各家制造商提供了五花八门的保护组件,在此只讨论两种经证实能够有效保护模拟前端的电路保护方案。以下方案假设采用一个缓冲配置的运算放大器。这被认为是最严格的保护测试,因为同相输入会承受所有冲击,除此以外,电能无处可去(安装保护电路之前)。Qrcednc

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图4:IEC-61000-4-2测试中采用的电路。Qrcednc

设计考虑:Qrcednc

  • R1应该是一个防脉冲(厚膜)电阻,这样在经受高压瞬变时不会轻易毁坏。
  • R1电压噪声与电阻值的平方根成正比,如果系统需要低噪声,这是一个重要的考虑因素。
  • C1应该是一个陶瓷电容,其封装尺寸至少为0805,以减小封装的表面电弧。
  • C1至少应为X5R类型温度系数的电容(理想为C0G/NP0类型),以保持可预测的电容值。
  • C1内部的等效串联电感和电阻应尽可能低,以便有效吸收冲击。
  • 针对给定的封装尺寸,C1的额定电压应尽可能高(最低100V)。
  • 在本例中,C1的位置在R1之前,因为它建构了一个电容分压器,其中150pF电容(如图5所示)将ESD波形放电到系统中,这样在放大器经受波形之前,能量已经先分流。

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图5:透过在模拟输入端配置低通滤波器实现输入保护。Qrcednc

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表2:RC网络保护方案。Qrcednc

值得注意的是,虽然这种前端保护方法并没有得到电容制造商的认可,但在针对放大器的数百次测试中证明是有效的。ESD测试曲线(如下所述)仅在有限范围的电容产品上进行过测试,因此,如果使用不同的电容产品,需要先表征其因应冲击的特性,例如透过测量经受ESD冲击之前和之后的电容和等效串联电阻的方法,这一点非常重要。该电容组件应保持容值稳定,并且在受冲击后,始终在直流(DC)下保持开路状态。Qrcednc

设计考虑:Qrcednc

  • 与RC网络相同:R1应能承受脉冲,但可能需要考虑噪声。
  • 应该指明D1需要满足的标准。有些可能只涵盖ESD,其他的则涵盖EFT和突波标准。
  • D1应该是双向的,这样它就可以同时因应正负冲击。
  • D1反向工作电压应尽可能高,同时仍需透过必要的测试。如果过低,在正常的系统电压电平下可能出现漏电流;如果过高,则可能无法在系统损坏之前做出反应。

TVS二极管泄漏将会降低性能?Qrcednc

但是,我听说TVS二极管经常发生泄漏,这会降低性能。Qrcednc

在模拟电子领域,大家都知道TVS二极管容易发生泄漏,因此不能用于精密模拟前端。但有时情况不是这样,许多产品数据手册中的泄漏电流 < 100µA,对于大多数模拟产品这个值是相当高的。对于这个数值的问题在于,它是在最高温度(150°C)和最大工作电压下的取值。在这种情况下,二极管极易泄漏。超过85°C,所有二极管的泄漏电流会更高。只要选择反向工作电压更高的TVS二极管,且不期望在85°C以上实现极低漏电流,则有望获得更低的泄漏电流。Qrcednc

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图6:透过在模拟输入端配置TVS二极管实现输入保护。Qrcednc

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表3:TVS网络保护方案。Qrcednc

如果您选择了合适的TVS,泄漏电流值可能低到让您惊讶。图7所示为测量12个相同产品型号的TVS二极管时获得的泄漏资料。Qrcednc

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图7:36V双向TVS二极管——Bournes T36SC的泄漏值,在TIA中采用ADA4530评估板与屏蔽,以及在25℃时采用10G电阻。Qrcednc

在测量的12个TVS二极管中,DC偏置电压为5V时,最严重的泄漏量为7pA。这比最坏情况下数据表的值要好千百万倍。当然,不同批次的TVS二极管在泄漏方面存在差异,但这至少可以说明预期的泄漏幅度。如果系统承受的温度不超过85°C,TVS二极管可能是个不错的选择。只要记住,如果您选择的产品不是本文所述的测试产品,请表征其泄漏特性。对一个组件或制造商而言正确的结论,对其他组件或制造商可能并不正确。Qrcednc

测试结果:Qrcednc

采用IEC ESD标准对一系列运算放大器进行了测试。表4显示不同保护方案分别适合保护的组件。虽然ESD标准规定在±8kV要保证经受三次冲击,但所有受测试的方案都通过了在±9kV时经受100次冲击的测试,以确保提供足够的保护余量。Qrcednc

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表4:通过IEC-61000-4-2测试的组件列表及其各自的保护配置。Qrcednc

IEC标准要求透过将两个470kΩ电阻与30pF电容并联,使ESD电源的接地端与放大器的接地端连接在一起。这项测试的设定则更为严格,它将ESD电源的接地端与放大器的接地端直接相连。这些结果也在IEC接地耦合方案中得到了验证,而可以进一步增强产品的可信赖度。请记住,由于放大器的内部结构存在很大不同,对列表中的组件适用的数据可能适用,也可能不适用于其他组件。如果使用其他组件或其他保护组件,建议对其进行全面测试。Qrcednc

使用的保护组件:Qrcednc

  • 电阻:Panasonic 0805 ERJ-P6系列
  • 电容:Yageo 0805 100V C0G/NPO
  • TVS二极管:Bourns CDSOD323-T36SC(双向、36V、极低漏电流,符合ESD、EFT和突波标准)
  • ESD压敏电阻:Bourns MLA系列、0603 26V

Bonus组件:ESD压敏电阻

TVS二极管性能良好,可以耐受无数次的冲击。这对于EFT和突波保护而言非常不错,但是,如果您只需要ESD保护,那么不妨看看ESD压敏电阻,在达到某个电压值之前,它们都用作高压电阻,达到该电压值之后,它们就转变为低压电阻,可以分流掉压敏电阻中的电能。Qrcednc

可采用与TVS二极管相同的配置。它们的泄漏更少,成本不到TVS二极管的一半。请注意,其设计并不要求经受数百次冲击,且其电阻会随着每次冲击下降。ESD压敏电阻也在上述产品上进行了测试,当串联电阻值约为TVS二极管所需值的两倍时,该压敏电阻的性能最佳。Qrcednc

那么EFT和突波呢?

这些产品只在ESD标准下进行过测试。EFT的独特之处在于,虽然电压不高(4kV及以下),其冲击却是爆发式(5kHz或以上),上升时间较慢(5ns)。突波每次冲击的能量大约是EFT的1,000倍,但速度只有波形的1/1000。如果还需要涵盖这些标准,请确保在保护组件的产品数据手册上表明它们可以因应这个问题。Qrcednc

虽然看起来事后在电路中添加RC滤波器或TVS二极管并不难,但请注意,本文中提到的所有其他因素会影响系统性能和保护级别。这包括布局、前端使用的组件,以及需要满足的IEC标准。如果您从开始就谨记这一点,就可以避免在系统设计的最后阶段可能出现需要重新设计的紧急状况。Qrcednc

本文为《电子技术设计》台湾版2019年9月刊杂志文章。Qrcednc

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