如何保护您的模拟前端

本文旨在帮助指导系统设计人员了解不同类型的电气过应力 （EOS） 及其对系统的影响。虽然本文针对的是系统中引起的特定类型的电应力，但这些信息仍然可以应用于各种场景。

这个话题很重要，因为如果没有适当的保护，即使是最好的电路也会降低性能或被 EOS 破坏。

什么是 EOS？

EOS 是一个通用术语，用于描述一个系统因过多的电子试图进入您的电路而受到压力。重要的是要记住，这是权力和时间的函数。

将复杂电路抽象为一个消耗功率的简单组件（例如电阻器）可能会有所帮助。在额定功率为 1 W 的 1 Ω 电阻器上施加 1.1 V 电压，功耗方程为

告诉我们 1.21 W 正在消散。虽然电阻器的额定功率为 1 W，但它可能内置了一些余量，因此您可以暂时摆脱它。不过，可能不会永远。

如果将电压增加到 2 V 会怎样？考虑到它的耗散量是上一个示例的四倍，聪明的钱是在用作空间加热器的电阻器上，时间非常有限 - 请记住：

如果您将该电压增加到 10 V，但仅持续 10 ms，会怎样？这就是事情变得有趣的地方——如果不了解它以及它的设计目的是什么，就无法真正说出对零件的影响。现在我们可以将这些知识应用于整个组件系统。

什么易受 EOS 影响？

一般来说，任何有电子设备的东西都容易受到 EOS 的影响。特别脆弱的部件是与外界交互的部件，因为它们很可能首先看到静电放电 （ESD）、雷击等。我们感兴趣的是 USB 端口、示波器的模拟前端以及最新高性能物联网搅拌机的充电端口等部件。

我们怎么知道要防范什么？

虽然我们知道我们想要保护系统免受电气过载的影响，但这个术语过于宽泛，在决定如何保护我们的系统时无济于事。这就是为什么 IEC（和许多其他组织）的优秀人员努力找出我们在现实生活中可能遇到的 EOS 类型。我们将专注于 IEC 规范，因为它们涵盖了广泛的市场应用，并且围绕它们的混乱证明了本出版物的合理性。表 1 显示了三个规范，这些规范定义了系统可能遇到的 EOS 条件类型。虽然这里只深入讨论 ESD，但我们也应该熟悉电快速瞬变 （EFT） 和浪涌。

图 1. 8 kV 时的理想接触放电电流波形。

图 2a 和 2b。符合 IEC61000-4-4 标准的电气快速瞬态 4 级波形。

图 3. IEC61000-4-5 浪涌在 8 μs/20 μs 电流波形下归一化。

制造集成电路的人不是已经对芯片进行了ESD保护吗？

对此不满意的答案是肯定的和否定的。是的，这些芯片的设计目的是在制造过程中处理 ESD，而不是在系统和供电的情况下处理 ESD。这种区别非常重要，因为当放大器通电时，它在暴露于静电时的行为可能与未连接任何东西时的行为非常不同。例如，内部保护二极管可以消除未通电部件上的 ESD 冲击。然而，带电部件上的 ESD 冲击可能会导致内部结构传导的电流超出其设计承受能力。根据部件和电源电压，这可能会导致部件自焚。

这是国际紧急情况！如何保护我最喜欢的 IC 免受这种迫在眉睫的威胁？

正如我希望你意识到的那样，这个挑战有很多元素，一个简单的解决方案不能适用于所有情况。以下是决定零件是否能在 EOS 事件中幸存的因素列表。它分为两组：我们无法控制的因素和我们可以控制的因素。

我们无法控制的事情：

IEC 波形：ESD、EFT 和浪涌都有非常不同的曲线，因此它们会以不同的方式利用设备的某些弱点。

正在考虑的器件工艺技术：一些工艺技术比其他工艺技术更容易发生闩锁。例如，CMOS 工艺容易发生闩锁，但有一些方法可以通过在许多现代工艺中使用的精心设计和沟槽隔离来减轻这种危险。

正在考虑的设备内部结构：IC 的设计方式有很多种，以至于一种适用于其中一种的保护方案可能不适用于另一种。例如，许多设备都有定时电路，如果检测到足够快的波形，就会开启保护结构。这可能意味着，如果您在雷击位置添加足够的电容，则在 ESD 雷击中幸存下来的设备可能无法幸免。这种反应是违反直觉的，但意识到这一点非常重要：一种常见的电路保护方法 - RC 滤波器 - 可能会使问题变得更糟。

您可以控制的事情：

PCB 布局：您的零件越靠近雷击位置，它们就越有可能看到更高能量的波形。这是因为当雷击波形沿路径传播时，波形正在消耗能量——在从波形路径辐射出的 EMI、路径电阻引起的热量以及与附近导体的寄生电容和电感耦合中。

保护电路：这是我们可以对设备的生存能力产生最有意义影响的地方。上述我们无法控制的事情将告知我们如何设计保护方案。

你们有那些很酷的过电压保护 （OVP） 和过压 （OTT） 功能。我如何使用它们来防止高压瞬变？

不！不要那样做。不是一个好主意。OVP 和 OTT 功能允许部件的输入看到超出电源电压的电压，而对部件的损坏为零。依靠这些功能来防止高压瞬变就像依靠雨靴来防止高压清洗机一样。雨靴适用于低于其高度的水坑，就像 OVP 和 OTT 适用于低于其额定值的电压一样。OVP 和 OTT 的额定电压在给定电源轨之外大约几十伏。这对 8，000 伏电压无济于事。

图 4. IEC-61000-4-2 测试中的电路表示。

我怎么知道什么保护电路会起作用？

通过结合使用设备知识、经验和测试，我们可以合理地了解在我们的系统中使用的最佳组件是什么。由于各种制造商提供的保护元件清单令人眼花缭乱，因此我将仅讨论两种已被证明在模拟前端保护中有效的电路保护方案。以下方案假设运算放大器采用缓冲器配置。这被认为是最严厉的保护测试，因为同相输入看到所有的冲击，没有其他区域可供能量通过（在安装保护之前）。

图 5. 在模拟输入端使用低通滤波器进行输入保护。

注意事项：

R1 应该是一个耐脉冲（厚膜）电阻器，这样它就不会因为高压瞬变而轻易击穿。

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 应该是一个封装尺寸至少为 0805 的陶瓷电容器，以减轻封装上的表面电弧。

C1 应至少为 X5R（理想情况下为 C0G/NP0）温度系数，以保持可预测的电容。

C1的串联电感和电阻应尽可能低，以有效吸收雷击。

对于给定的封装尺寸，C1 的额定电压应尽可能高（最低 100 V）。

在这种情况下，C1 位于 R1 之前，因为它使用 150 pF 电容器（来自图 5）创建了一个电容分压器，将 ESD 波形放电到我们的系统中，从而在放大器看到之前将能量分流出去。

注意：虽然这种前端保护方法并未得到电容器制造商的认可，但已在数百次放大器测试中证明它是有效的。ESD 测试配置文件（如下所述）仅在有限范围的电容器产品上进行了测试，因此如果使用不同的电容器产品，重要的是要表征它们如何处理冲击，例如通过测量 ESD 冲击前后的电容和串联电阻。 该设备应保持电容并在被滥用后始终在直流频率下打开。

图 6. 在模拟输入端使用 TVS 二极管进行输入保护。

注意事项：

与 RC 网络相同：R1 应该能够承受脉冲，并且可能需要考虑噪声。

对于需要遵守的标准，应指定 D1。有些可能只涵盖 ESD，但有些则涵盖 EFT 和浪涌标准。

D1 应该是双向的，以便它可以处理正面和负面的打击。

D1反向工作电压应选择尽可能高，同时仍要通过必要的测试。太低，它可能会在正常系统电压水平期间泄漏电流。太高，它可能在系统损坏之前没有反应。

但我听说 TVS 二极管泄漏很多，会影响我的表现。

模拟电子领域的常识表明 TVS 二极管存在泄漏，因此不能用于精密模拟前端。事实并非如此——许多数据表会显示漏电流 《100 µA，这对于大多数模拟人员来说是相当高的。这个数字的问题是它是在最高温度 （150°C） 下的最大工作电压下获取的。在这种情况下，二极管将非常漏电。所有二极管在高于 85°C 时泄漏更多。只要选择具有较高反向工作电压的 TVS 二极管，并且不期望 85°C 以上的低泄漏，就可以期望低得多的泄漏电流。

如果您选择正确，您可能会惊讶于 TVS 几乎没有泄漏。图 7 显示了测量具有相同部件号的 12 个 TVS 二极管的泄漏的数据：

图 7. 36 V 双向 TVS 二极管的泄漏 - Bournes T36SC 使用 TIA 中的 ADA4530 评估板，带有屏蔽和 10 G 电阻器，温度为 25°C。

在测量的 12 个 TVS 二极管中，最差的违规者在 5 V 的直流偏置下有 7 pA 的泄漏。这比数据表中最坏情况的情况好 1000 万倍以上。当然，不同批次的 TVS 二极管在泄漏方面存在差异，但这至少应该说明预期的数量级。如果我们的系统不会看到高于 85°C 的温度，TVS 二极管可能是一个不错的选择。如果您选择此处专门测试的产品以外的其他产品，请记住表征泄漏。对于一个零件或制造商来说可能是正确的，但对另一个零件或制造商来说可能不是真的。

测试结果：

使用 IEC ESD 标准对一系列运算放大器进行了测试。表 2 显示了哪些保护方案保护了哪些组件。尽管 ESD 标准是 ±8 kV 的 3 次冲击，但所有这些方案都在 ±9 kV 的 100 次冲击下通过，以确保足够的保护余量。

IEC 标准要求 ESD 源接地通过两个 470 kΩ 电阻与 30 pF 电容并联连接到放大器的接地。这种测试设置更加苛刻，因为 ESD 源的接地直接连接到放大器的接地。这些结果也在刚刚描述的 IEC 接地耦合方案上得到验证，以增加信心。请记住，由于放大器具有截然不同的内部结构，因此适用于此列表中的设备的方法可能适用于其他设备，也

可能不适用于其他设备。建议如果使用其他设备或其他保护组件，则对其进行彻底测试。

使用的保护组件：

电阻器：松下0805 ERJ-P6系列

电容器：国巨 0805 100 V C0G/NPO

TVS 二极管：Bourns CDSOD323-T36SC（双向，36 V，低泄漏，符合 ESD、EFT、浪涌标准）

ESD压敏电阻：Bourns MLA系列，0603 26 V

额外组件：ESD压敏电阻

TVS 二极管工作得很好，可以无限次地被击打。此功能非常适合 EFT 和浪涌，但如果您只需要 ESD 保护，请查看 ESD 压敏电阻 - 它们是极高值的电阻器，直到它们看到一定的电压，然后它们变成低值电阻器并通过压敏电阻分流能量。

它们用于与 TVS 二极管相同的配置。它们泄漏更少，成本不到 TVS 二极管的一半。请注意，它们的设计目的不是要承受数百次打击，而且每次打击时它们的抵抗力都会降低。ESD 压敏电阻也在上述产品上进行了测试，当串联电阻约为安装 TVS 二极管所需值的两倍时，其性能最佳。

EFT 和浪涌呢？

这些产品仅在 ESD 标准下进行了测试。EFT 的独特之处在于，虽然电压没有那么高（4 kV 及以下），但冲击以突发（5 kHz 或更多）和较慢的上升时间（5 ns）击中。浪涌的每次冲击能量大约是 EFT 的 1000 倍，但速度是波形的1/1000 。如果您还需要涵盖这些标准，请确保保护组件在其数据表中声明他们可以处理这些标准。

电路保护概述

虽然 RC 滤波器或 TVS 二极管看起来很容易作为事后的想法在电路中折腾，但请记住本文中提到的所有其他会影响系统性能和保护级别的事情。这包括布局、前端使用的部件以及需要满足的 IEC 标准。如果您尽早记住这一点，它可能会在系统设计的最后阶段缓解紧急重新设计。

本文远非全面概述。敏感话题将在我们的后续文章中得到更深入的探讨。此外，基站接收机设计中的其他挑战包括自动增益控制 （AGC） 算法、信道估计和均衡算法。我们计划在本文之后发布一系列技术文章，旨在简化您的设计过程并提高您对接收器系统的理解。

审核编辑：郭婷