作者：David Forde
簡介
與系統模擬輸入和輸出節點交互作用的外置高壓瞬變可能破壞系統中未采用充分保護措施的集成電路(IC)。現代IC的模擬輸入和輸出引腳通常采用了高壓靜電放電(ESD)瞬變保護措施。人體模型(HBM)、機器模型(MM)和充電器件模型(CDM)是用來測量器件承受ESD事件的能力的器件級標準。這些測試旨在確保器件能承受器件制造和PCB裝配流程中的靜電壓力，通常在受控環境中實施。
工作于惡劣電磁環境中的系統在輸入或輸出節點上需要承受高壓瞬變——并且在從器件級標準轉向系統級標準以實現高壓瞬變魯棒性時，傳輸到IC引腳的能量水平存在顯著差異。因此，直接與這些系統輸入/輸出節點連接的IC也必須采用充分的保護措施，以承受系統級高壓瞬變。如果在系統設計中未能及早考慮這種保護機制，結果可能導致系統保護不足、產品發布推遲、系統性能下降等問題。本文旨在描述如何保護敏感的模擬輸入和輸出節點，使其免受這些IEC標準瞬變的影響。
圖1. 面向精密模擬輸入的IEC系統保護。
IEC 61000
IEC 61000是有關EMC魯棒性的系統級標準。該標準中涉及高壓瞬變的三個部分為IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5。這些是針對靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌的系統級標準。這些標準定義了在施加這些瞬變影響的情況下用于評估電子電氣設備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。
IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統在運行過程中對系統外部的ESD事件的免疫能力——例如，如果系統輸入/輸出接觸到帶電人體、電纜、工具時。IEC 61000-4-2規定要使用兩種耦合方法測試：接觸放電和氣隙放電。
IEC 61000-4-4 EFT測試涉及將快速的瞬變脈沖群耦合到信號線上，以表征與外部開關電路關聯的瞬變干擾，這類電路能夠以容性方式耦合至信號線。這種測試反映了開關觸點抖動，或者因為感性或容性負載切換而產生的瞬變，而所有這些在工業環境中都很常見。
浪涌瞬變通常由開關操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關瞬變的起因可能是電力系統切換、配電系統中的負載變化或各種系統故障（例如安裝時與接地系統形成短路和電弧故障）。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。
瞬變電壓抑制器
TVS的基本參數：
瞬變電壓抑制器(TVS)可以用于抑制電壓浪涌。用于箝位高壓瞬 變，使大電流繞過敏感電路。TVS的基本參數為：
- 工作峰值反向電壓：低于該值時不會發生顯著導電現象的電壓
- 擊穿電壓：等于該值時會發生規定導電現象的電壓
- 最大箝位電壓：器件上傳導規定的最大電流的最大電壓
在系統輸入或輸出上使用TVS器件時要考慮多個因素。ESD或EFT事件會產生超快時間（1 ns至5 ns）的瞬變波形，在TVS器件箝位擊穿電壓之前，在系統輸入上導致初始過沖電壓。浪涌事件具有不同的瞬變波形，上升時間緩慢(1.2 μs)，脈沖持續時間長(50 μs)；并且在該事件下，將在擊穿電壓下開始箝位電壓，但可能一直增大至TVS最大箝位電壓。另外，TVS必須高于可能由接線錯誤、斷電或用戶錯誤導致的任何容許直流過壓，以保護系統，使其免受該直流過壓事件的影響。所有三種情況都有可能在下游電路的輸入上導致具有潛在破壞作用的過壓。
模擬輸入保護電路
為了全面保護系統輸入/輸出節點，必須對系統進行直流過壓和高壓瞬變保護。在系統輸入節點用一個魯棒的精密型過壓保護(OVP)開關，加上TVS，可以保護靈敏的下游電路（例如，模數轉換器或放大器輸入/輸出），因為這樣可以阻斷過壓、抑制未被TVS分流到地的剩余電流。
圖2. OVP開關功能框圖。
圖2顯示了一個典型過壓保護開關的功能框圖；注意，該開關的ESD保護二極管未以其輸入節點上的電源電壓為基準。相反，它有一個ESD保護單元，在超過器件最大承受電壓時激活，使器件能承受并阻斷超過其電源電壓的電壓。由于模擬系統通常只要求開關的外向引腳采用IEC保護，所以，ESD保護二極管依然保留在內向引腳上（標志為開關輸出端或漏極端）。這些二極管能帶來額外的好處，因為它們起到輔助保護器件的作用。在持續時間較短、上升時間快的高壓瞬變（如ESD或EFT）過程中，由于瞬變電壓會被箝位，所以電壓不會到達下游電路。在持續時間較長、上升時間慢的高壓瞬變（如浪涌）過程中，在開關過壓保護功能被激活、開關斷開、使故障完全與下游電路分離之前，內部保護二極管會箝位開關的輸出電壓。
圖3顯示了一個與外部接口的系統輸入端的工作區域。最左邊的區域（綠色）表示正常工作區間，輸入電壓位于電源電壓范圍以內。左起第二個區域（藍色）表示輸入端可能存在持續直流或長時間交流過壓的范圍，原因是斷電、接線錯誤或短路。另外，圖中最右側（紫色）是過壓開關內部ESD保護二極管的觸發電壓。選擇的TVS擊穿電壓（橙色）必須小于過壓保護開關的最大承受電壓并且大于任何已知的可能持續直流或長時間交流過壓，以免無意中觸發TVS。
圖3. 系統工作區域。
圖4中的保護電路可以承受最高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（來自ADI公司的±55 V過壓保護和檢測、四通道單刀雙擲開關）可以承受ESD、EFT和浪涌瞬變導致的過壓，過壓保護電路與漏極上的保護二極管共同保護和隔離下游電路。表1展示的是ADG5412F在TVS擊穿電壓與電阻的各種組合下可以承受的高壓瞬變電平。
圖4. 保護電路。
表1. 測試結果（未在0 Ω電阻與33 V TVS及45 V TVS組合條件下進行IEC空氣放電測試）
圖4也展示了高壓瞬變事件過程中的各種電流路徑。大部分電流通過TVS器件分流到地（路徑I1）。路徑I2展示的是通過ADG5412F輸出節點上的內部ESD消耗的電流，同時，輸出電壓被箝位于比電源電壓高0.7 V的水平。最后，路徑I3中的電流是下游器件必須承受的剩余電流水平。有關該保護電路的更多詳情，請參閱ADI公司應用筆記AN-1436。
IEC ESD保護
圖5. 測試電路
圖6和圖7所示為在8 kV接觸放電和16 kV空氣放電IEC ESD事件在圖5所示測試電路上的測試結果。如前所述，在TVS器件將電壓箝位至54 V左右之前，源引腳上有一個初始過壓。在此過壓過程中，開關漏極上的電壓被箝位于比電源電壓高0.7 V的水平。漏極電流測量結果展示的是流入下游器件二極管中的電流。脈沖峰值電流約為680 mA，電流持續時間約為60 ns。相比之下，1 kV HBM ESD電擊的峰值電流為660 mA，持續時間為500 ns。我們因此可以得出結論認為，在采用這種保護電路的條件下，HBM ESD額定值為1 kV的下游器件應該能承受8 kV接觸放電和16 kV空氣放電IEC ESD事件。
圖6. 8 kV事件期間的漏極電壓和漏極輸出電流。
圖7. 16 kV空氣放電事件期間的漏極電壓和漏極輸出電流。
EFT 保護
圖8是在4 kV EFT事件的一個脈沖的測量結果。與ESD瞬變過程中發生的情況類似，在TVS器件將電壓箝位至54 V左右之前，源引腳上有一個初始過壓。在此過壓過程中，開關漏極上的電壓再次被箝位于比電源電壓高0.7 V的水平。在這種情況下，流入下游器件中的脈沖峰值電流僅為420 mA，電流持續時間僅約為90 ns。同樣與HBM ESD事件相比，750 kV HBM ESD的電壓的峰值電流為500 mA，持續時間為500 ns。因此，在4 kV EFT事件期間，能量被傳輸至下游器件的引腳上，該能量少于750 kV HBM ESD事件下的能量。
圖8. 單次脈沖的EFT電流。
浪涌保護
圖9中是將4 kV浪涌瞬變施加到保護電路輸入節點上時的測量結果。如前所述，源電壓可能增大并超過TVS擊穿電壓，一直達到最大箝位電壓。該電路中的過壓保護開關的反應時間約為500 ns，并且在這前500 ns的時間內，器件漏極上的電壓被箝位于比電源電壓高0.7 V的水平。在此期間以及約500 ns后，流至下游器件的峰值電流僅為608 mA，開關關閉并使下游電路與故障隔離。同樣，這里的能量少于1 kV HBM ESD事件期間傳輸的能量。
圖9. 浪涌事件期間OVP工作原理。
結論
本文描述了如何依據IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5標準的規定，對集成電路模擬輸入和輸出進行高壓瞬變保護。
本文說明了如何設計系統輸入輸出保護電路，同時為用戶帶來如下好處：
- 簡化保護設計
- 加速產品上市
- 提高保護電路性能，減少分立元件數量
- 減小信號路徑中的串聯電阻阻值
- 由于TVS設計窗口很寬，TVS選擇更方便
- 達到下列標準的系統-級保護
- 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
- 交流和持續直流過壓保護高達±55 V
- 掉電保護可達±55V
附錄
ADI過壓保護和檢測產品：±55 V OVP
作者
David Forde 于2006年畢業于卡羅理工學院，獲集成電路設計專業理學學士學位，畢業后即加盟ADI公司，任布局工程師。2011年，他畢業于利默里克大學，獲VLSI系統專業工程碩士學位；2015年，他加盟儀器儀表與精密技術事業部，任應用工程師，為模擬開關和多路復用產品系列提供支持。
