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應(yīng)力（EOS）及其如何影響其系統(tǒng)。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)主題很重要，因?yàn)槿绻麤]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)，描述系統(tǒng)被太多試圖進(jìn)入電路的電子所承受壓力。重要的是要記住，這是功率和時(shí)間的函數(shù)。

將復(fù)雜電路抽象為一個(gè)耗散功率的簡(jiǎn)單元件（例如電阻器）可能會(huì)有所幫助。在額定功率為1 W的1 Ω電阻上輸入1.1 V電壓，得出功耗公式，

告訴我們 1.21 W 正在消散。雖然電阻的額定功率為1 W，但其中可能內(nèi)置了一些裕量，因此您可以在一段時(shí)間內(nèi)擺脫這種情況。不過，可能不會(huì)永遠(yuǎn)。

如果將電壓提高到 2 V 會(huì)怎樣？聰明的錢是用那個(gè)電阻器在非常有限的時(shí)間內(nèi)用作空間加熱器，因?yàn)樗暮纳⑹巧弦粋€(gè)例子的四倍——請(qǐng)記住：

如果將該電壓增加到 10 V，但僅持續(xù) 10 毫秒，該怎么辦？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)來處理什么，就沒有辦法真正告訴它對(duì)零件的影響?，F(xiàn)在我們可以將這些知識(shí)帶到整個(gè)組件系統(tǒng)中。

什么對(duì)EOS敏感？

一般來說，所有有電子設(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接口的部件，因?yàn)樗鼈兒芸赡苁堑谝粋€(gè)看到靜電放電（ESD）、雷擊等的部件。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。

圖1.8 kV 時(shí)的理想接觸放電電流波形。

我們?cè)趺粗酪婪妒裁矗?/p>

雖然我們知道我們希望保護(hù)系統(tǒng)免受電氣過應(yīng)力的影響，但在決定如何保護(hù)我們的系統(tǒng)時(shí)，該術(shù)語(yǔ)過于寬泛，無濟(jì)于事。這就是為什么IEC（和許多其他組織）的優(yōu)秀人員已經(jīng)做了艱苦的工作，弄清楚我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中可能會(huì)遇到哪些類型的EOS。我們將重點(diǎn)關(guān)注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，它們定義了系統(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2.符合 IEC61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)的電氣快速瞬態(tài) 4 級(jí)波形。

制造集成電路的人不是已經(jīng)保護(hù)芯片免受ESD的影響嗎？

對(duì)此不令人滿意的答案是肯定的和否定的。是的，這些芯片設(shè)計(jì)用于在制造過程中處理ESD，而不是在系統(tǒng)中供電的情況下處理ESD。這種區(qū)別非常重要，因?yàn)楫?dāng)放大器為其供電時(shí)，它暴露在靜電中時(shí)的行為可能與未連接到任何東西時(shí)的行為非常不同。例如，對(duì)未上電部件的ESD沖擊可能會(huì)被內(nèi)部保護(hù)二極管耗散。然而，ESD撞擊受電部件可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)比其設(shè)計(jì)處理的更多的電流。這可能導(dǎo)致器件自焚，具體取決于器件和電源電壓。

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，這一挑戰(zhàn)有很多因素，一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案不可能適用于所有情況。以下是確定部件是否在EOS事件中幸存下來的因素列表。它分為兩組：我們無法控制的因素和我們可能控制的因素。

我們無法控制的事情：

IEC波形：ESD，EFT和浪涌都具有非常不同的配置文件，因此它們將利用它們所攻擊的設(shè)備的某些弱點(diǎn)。

正在考慮的設(shè)備的工藝技術(shù)：某些工藝技術(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，但有許多方法可以通過許多現(xiàn)代工藝中使用的精心設(shè)計(jì)和溝槽隔離來減輕這種危害。

正在考慮的器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)：IC的設(shè)計(jì)方式如此之多，以至于適用于一種保護(hù)方案可能不適用于另一種保護(hù)方案。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，該電路將打開保護(hù)結(jié)構(gòu)。這可能意味著，如果在撞擊位置添加足夠的電容，經(jīng)受住ESD沖擊的設(shè)備可能無法存活。這種反應(yīng)是違反直覺的，但認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)非常重要：一種常見的電路保護(hù)方法 - RC濾波器 - 可能會(huì)使問題變得更糟。

圖3.IEC61000-4-5浪涌在8 μs/20 μs電流波形下歸一化。

您可以控制的事情：

PCB布局：零件離撞擊位置越近，它們就越有可能看到更高的能量波形。這是因?yàn)楫?dāng)沖擊波形沿著路徑傳播時(shí)，波形正在耗散能量——從波形路徑輻射出去的EMI，路徑電阻產(chǎn)生的熱量，以及與附近導(dǎo)體的寄生電容和電感耦合。

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

你們擁有那些冷卻過壓保護(hù) （OVP） 和過頂 （OTT） 功能。我用它們來防止高壓瞬變?cè)趺礃樱?/p>

不！別這樣。不是一個(gè)好主意。OVP 和 OTT 功能允許器件的輸入端看到超出電源電壓的電壓，而不會(huì)損壞器件。依靠這些功能來防止高壓瞬變就像依靠雨靴來防止高壓清洗機(jī)一樣。雨靴適用于比其高度淺的水坑，就像 OVP 和 OTT 適用于低于其額定值的水坑一樣。OVP 和 OTT 的額定電壓大約超過給定電源軌的數(shù)十伏。這對(duì)八千伏特?zé)o濟(jì)于事。

我如何知道哪些保護(hù)電路將起作用？

通過使用設(shè)備知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試的組合，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了令人眼花繚亂的保護(hù)組件列表，以保持事情的可管理性，因此我將僅討論兩種在模擬前端保護(hù)中被證明有效的電路保護(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)為是最苛刻的保護(hù)測(cè)試，因?yàn)橥噍斎肟梢钥吹剿凶矒簦瑳]有其他區(qū)域的能量去（在安裝保護(hù)之前）。

圖4.IEC-61000-4-2測(cè)試中電路的表示。

考慮：

R1應(yīng)為耐脈沖（厚膜）電阻，使其在高壓瞬變下不會(huì)輕易擊穿。

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)為封裝尺寸至少為 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，以便能夠有效地吸收沖擊。

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

在這種情況下，C1在R1之前，因?yàn)樗?50 pF電容（如圖5所示）產(chǎn)生一個(gè)電容分壓器，將ESD波形放電到我們的系統(tǒng)中，從而在放大器看到能量之前將其分流出去。

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：雖然這種前端保護(hù)方法沒有得到電容器制造商的認(rèn)可，但經(jīng)過數(shù)百次放大器測(cè)試，它已被證明是有效的。ESD測(cè)試曲線（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，則通過測(cè)量ESD沖擊前后的電容和串聯(lián)電阻等來表征它們?nèi)绾翁幚頉_擊非常重要。設(shè)備應(yīng)保持電容，并在濫用后始終以直流頻率打開。

考慮：

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

應(yīng)為需要遵守的標(biāo)準(zhǔn)指定 D1。有些可能只涵蓋 ESD，但有些涵蓋 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)面打擊。

D1反向工作電壓應(yīng)選擇盡可能高，同時(shí)仍通過必要的測(cè)試。太低，在正常的系統(tǒng)電壓水平下可能會(huì)漏電流。太高，在系統(tǒng)損壞之前可能沒有反應(yīng)。

但我聽說TVS二極管泄漏很多，會(huì)扼殺我的表現(xiàn)。

模擬電子學(xué)的常識(shí)表明，TVS二極管是泄漏的，因此不能用于精密模擬前端。這種智慧并不一定如此——許多數(shù)據(jù)手冊(cè)將顯示<100 μA的漏電流，這對(duì)于大多數(shù)模擬人員來說相當(dāng)高。這個(gè)數(shù)字的問題在于它是在最高溫度（150°C）的最大工作電壓下拍攝的。在這種情況下，二極管將非常泄漏。所有二極管在85°C以上泄漏得更多。 只要選擇具有較高反向工作電壓的TVS二極管，并且不希望在85°C以上實(shí)現(xiàn)低泄漏，那么就可以期望漏電流要低得多。

圖6.在模擬輸入端使用TVS二極管提供輸入保護(hù)。

如果您正確選擇TVS，您可能會(huì)驚訝于與TVS相關(guān)的泄漏如此之少。圖7顯示了測(cè)量具有相同部件號(hào)的12個(gè)TVS二極管泄漏的數(shù)據(jù)：

圖7.36 V雙向TVS二極管的漏電流—Bournes T36SC，使用帶屏蔽和25°C時(shí)10 G電阻的TIA中的ADA4530評(píng)估板。

在測(cè)量的12個(gè)TVS二極管中，最糟糕的二極管在5 V直流偏置時(shí)有7 pA的漏電流。這比數(shù)據(jù)手冊(cè)中最壞的情況要好1000多萬倍。當(dāng)然，不同批次的TVS二極管在泄漏方面存在差異，但這至少應(yīng)該說明預(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。請(qǐng)記住，如果您選擇其他產(chǎn)品而不是此處專門測(cè)試的產(chǎn)品，請(qǐng)表征泄漏。對(duì)于一個(gè)零件或制造商來說可能是正確的，對(duì)于另一個(gè)零件或制造商來說可能不是正確的。

測(cè)試結(jié)果：

一系列運(yùn)算放大器使用IEC ESD標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試。表 2 顯示了哪些保護(hù)方案保護(hù)哪些組件。盡管ESD標(biāo)準(zhǔn)是在±8 kV下進(jìn)行三次沖擊，但所有這些方案在±9 kV下通過100次罷工，以確保足夠的保護(hù)裕度。

IEC標(biāo)準(zhǔn)要求ESD源極接地通過兩個(gè)470 kΩ電阻并聯(lián)30 pF電容連接到放大器的接地。這種測(cè)試設(shè)置更加苛刻，因?yàn)镋SD源的接地直接連接到放大器的地。這些結(jié)果也在剛才描述的IEC接地耦合方案上得到了驗(yàn)證，以增加信心。請(qǐng)記住，由于放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大不相同，因此適用于此列表中的設(shè)備的產(chǎn)品可能適用于其他設(shè)備，也可能不適用于其他設(shè)備。如果使用其他設(shè)備或其他保護(hù)組件，建議對(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，額定值符合 ESD、EFT、浪涌標(biāo)準(zhǔn)）

ESD 壓敏電阻： Bourns MLA 系列， 0603 26 V

附加組件：ESD壓敏電阻

TVS二極管工作得很好，可以無限次敲擊。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，直到它們看到一定的電壓，然后它們變成低值電阻并將能量分流通過壓敏電阻。

它們與TVS二極管的配置相同。它們的泄漏更少，成本不到TVS二極管的一半。請(qǐng)注意，它們不是為看到數(shù)百次打擊而設(shè)計(jì)的，并且它們的抵抗力會(huì)隨著每次撞擊而降低。ESD壓敏電阻也在上述產(chǎn)品上進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)內(nèi)聯(lián)電阻約為TVS二極管所需值的兩倍時(shí)，性能最佳。

EFT 和浪涌呢？

這些產(chǎn)品僅根據(jù)ESD標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試。EFT的獨(dú)特之處在于，盡管電壓不高（4 kV及以下），但沖擊以突發(fā)（5 kHz或更高）和較慢的上升時(shí)間（5 ns）進(jìn)行。浪涌每次打擊的能量大約是EFT的1000倍，但為EFT的1/1000千與波形一樣快。如果還需要涵蓋這些標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)確保保護(hù)組件在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中聲明他們可以處理這些標(biāo)準(zhǔn)。

電路保護(hù)簡(jiǎn)述

雖然RC濾波器或TVS二極管似乎很容易在事后考慮在電路中折騰，但請(qǐng)記住本文中提到的會(huì)影響系統(tǒng)性能和保護(hù)級(jí)別的所有其他事項(xiàng)。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)減輕系統(tǒng)設(shè)計(jì)最后階段的緊急重新設(shè)計(jì)。

本文遠(yuǎn)非全面的概述。敏感性的話題將在我們的后續(xù)文章中得到更深入的處理。此外，基站接收器設(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)過程并提高您對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)的理解。

審核編輯：郭婷