当好电子变坏时：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）及其如何影响其系统。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。

这个主题很重要，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，描述系统被太多试图进入电路的电子所承受压力。重要的是要记住，这是功率和时间的函数。

将复杂电路抽象为一个耗散功率的简单元件（例如电阻器）可能会有所帮助。在额定功率为1 W的1 Ω电阻上输入1.1 V电压，得出功耗公式，

告诉我们 1.21 W 正在消散。虽然电阻的额定功率为1 W，但其中可能内置了一些裕量，因此您可以在一段时间内摆脱这种情况。不过，可能不会永远。

如果将电压提高到 2 V 会怎样？聪明的钱是用那个电阻器在非常有限的时间内用作空间加热器，因为它的耗散是上一个例子的四倍——请记住：

如果将该电压增加到 10 V，但仅持续 10 毫秒，该怎么办？这就是事情变得有趣的地方——如果不了解它以及它的设计来处理什么，就没有办法真正告诉它对零件的影响。现在我们可以将这些知识带到整个组件系统中。

什么对EOS敏感？

一般来说，所有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接口的部件，因为它们很可能是第一个看到静电放电（ESD）、雷击等的部件。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。

图1.8 kV 时的理想接触放电电流波形。

我们怎么知道要防范什么？

虽然我们知道我们希望保护系统免受电气过应力的影响，但在决定如何保护我们的系统时，该术语过于宽泛，无济于事。这就是为什么IEC（和许多其他组织）的优秀人员已经做了艰苦的工作，弄清楚我们在现实生活中可能会遇到哪些类型的EOS。我们将重点关注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，它们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2.符合 IEC61000-4-4 标准的电气快速瞬态 4 级波形。

 

规范	简写术语	现实生活中的模拟	特性
IEC 61000-4-2	静电放电	静电放电	最高电压，最短持续时间，单次冲击
IEC 61000-4-4	电快速瞬变 （EFT）	外部开关元件（例如，来自电机的电感尖峰）	高电压、持续时间短、重复冲击
IEC 61000-4-5	激	雷击、电源系统开关瞬变（例如升压转换器）	高电压，最长持续时间

 

制造集成电路的人不是已经保护芯片免受ESD的影响吗？

对此不令人满意的答案是肯定的和否定的。是的，这些芯片设计用于在制造过程中处理ESD，而不是在系统中供电的情况下处理ESD。这种区别非常重要，因为当放大器为其供电时，它暴露在静电中时的行为可能与未连接到任何东西时的行为非常不同。例如，对未上电部件的ESD冲击可能会被内部保护二极管耗散。然而，ESD撞击受电部件可能会导致内部结构传导比其设计处理的更多的电流。这可能导致器件自焚，具体取决于器件和电源电压。

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，这一挑战有很多因素，一个简单的解决方案不可能适用于所有情况。以下是确定部件是否在EOS事件中幸存下来的因素列表。它分为两组：我们无法控制的因素和我们可能控制的因素。

我们无法控制的事情：

IEC波形：ESD，EFT和浪涌都具有非常不同的配置文件，因此它们将利用它们所攻击的设备的某些弱点。

正在考虑的设备的工艺技术：某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，但有许多方法可以通过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害。

正在考虑的器件内部结构：IC的设计方式如此之多，以至于适用于一种保护方案可能不适用于另一种保护方案。例如，许多设备都有定时电路，如果检测到足够快的波形，该电路将打开保护结构。这可能意味着，如果在撞击位置添加足够的电容，经受住ESD冲击的设备可能无法存活。这种反应是违反直觉的，但认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。

图3.IEC61000-4-5浪涌在8 μs/20 μs电流波形下归一化。

您可以控制的事情：

PCB布局：零件离撞击位置越近，它们就越有可能看到更高的能量波形。这是因为当冲击波形沿着路径传播时，波形正在耗散能量——从波形路径辐射出去的EMI，路径电阻产生的热量，以及与附近导体的寄生电容和电感耦合。

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

你们拥有那些冷却过压保护 （OVP） 和过顶 （OTT） 功能。我用它们来防止高压瞬变怎么样？

不！别这样。不是一个好主意。OVP 和 OTT 功能允许器件的输入端看到超出电源电压的电压，而不会损坏器件。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。雨靴适用于比其高度浅的水坑，就像 OVP 和 OTT 适用于低于其额定值的水坑一样。OVP 和 OTT 的额定电压大约超过给定电源轨的数十伏。这对八千伏特无济于事。

我如何知道哪些保护电路将起作用？

通过使用设备知识、经验和测试的组合，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了令人眼花缭乱的保护组件列表，以保持事情的可管理性，因此我将仅讨论两种在模拟前端保护中被证明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。这被认为是最苛刻的保护测试，因为同相输入可以看到所有撞击，没有其他区域的能量去（在安装保护之前）。

图4.IEC-61000-4-2测试中电路的表示。

考虑：

R1应为耐脉冲（厚膜）电阻，使其在高压瞬变下不会轻易击穿。

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 应为封装尺寸至少为 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，以便能够有效地吸收冲击。

对于给定的封装尺寸，C1 的额定电压应尽可能高（最小 100 V）。

在这种情况下，C1在R1之前，因为它用150 pF电容（如图5所示）产生一个电容分压器，将ESD波形放电到我们的系统中，从而在放大器看到能量之前将其分流出去。

图5.在模拟输入端使用低通滤波器进行输入保护。

 

优势	弊
便宜（~5美分）	R1引入热噪声
占地面积小	RC 网络限制速度
最小泄漏	需要仔细表征电容器
	对反复打击的抵抗力不那么强

 

注意：虽然这种前端保护方法没有得到电容器制造商的认可，但经过数百次放大器测试，它已被证明是有效的。ESD测试曲线（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，则通过测量ESD冲击前后的电容和串联电阻等来表征它们如何处理冲击非常重要。设备应保持电容，并在滥用后始终以直流频率打开。

考虑：

与RC网络相同：R1应承受脉冲，可能需要考虑噪声。

应为需要遵守的标准指定 D1。有些可能只涵盖 ESD，但有些涵盖 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打击。

D1反向工作电压应选择尽可能高，同时仍通过必要的测试。太低，在正常的系统电压水平下可能会漏电流。太高，在系统损坏之前可能没有反应。

但我听说TVS二极管泄漏很多，会扼杀我的表现。

模拟电子学的常识表明，TVS二极管是泄漏的，因此不能用于精密模拟前端。这种智慧并不一定如此——许多数据手册将显示<100 μA的漏电流，这对于大多数模拟人员来说相当高。这个数字的问题在于它是在最高温度（150°C）的最大工作电压下拍摄的。在这种情况下，二极管将非常泄漏。所有二极管在85°C以上泄漏得更多。 只要选择具有较高反向工作电压的TVS二极管，并且不希望在85°C以上实现低泄漏，那么就可以期望漏电流要低得多。

图6.在模拟输入端使用TVS二极管提供输入保护。

 

优势	弊
便宜（20至30美分）	R1引入噪声
占地面积小	D1有漏电流
非常坚固	D1 具有电容（5 pF 至 300 pF）

 

如果您正确选择TVS，您可能会惊讶于与TVS相关的泄漏如此之少。图7显示了测量具有相同部件号的12个TVS二极管泄漏的数据：

图7.36 V双向TVS二极管的漏电流—Bournes T36SC，使用带屏蔽和25°C时10 G电阻的TIA中的ADA4530评估板。

在测量的12个TVS二极管中，最糟糕的二极管在5 V直流偏置时有7 pA的漏电流。这比数据手册中最坏的情况要好1000多万倍。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。请记住，如果您选择其他产品而不是此处专门测试的产品，请表征泄漏。对于一个零件或制造商来说可能是正确的，对于另一个零件或制造商来说可能不是正确的。

测试结果：

一系列运算放大器使用IEC ESD标准进行了测试。表 2 显示了哪些保护方案保护哪些组件。尽管ESD标准是在±8 kV下进行三次冲击，但所有这些方案在±9 kV下通过100次罢工，以确保足够的保护裕度。

 

产品	功能、带宽	保护值
		R （Ω）	丙 （pF）	D （V_WM）
公元823	场效应管输入	220	100
	16兆赫	68		36
ADA4077	低噪音，精度高	220	100
	3.9兆赫	68		36
ADA4084	低噪音	220	100
	15.9兆赫	68		36
ADA4522	低噪音，精度高	220	100
	2.7兆赫	68		36
ADA4528	低噪音，精度高	220	100
	3兆赫	68		36
ADA4610	低噪音，精度高	220	100
	15.4兆赫	68		36
ADA4622	低噪音，精度高	220	100
	8兆赫	68		36
ADA4625	低噪声，JFET	220	100
	18兆赫	68		36
ADA4661	精度	220	100
	4兆赫	68		36
LT1490	微功耗	220	100
	200千赫	68		36
LT6016	低功耗、高精度、OTT	220	100
	3.2兆赫	68		36
LT6018	低噪音，精度高	220	100
	15兆赫	68		36
LT1636	微功耗、奥特	220	100
	200千赫	220		36
LT1638	微功耗、奥特	220	100
	1.1兆赫	68		36
LT1494	微功耗、精密、OTT	220	100
	100赫兹	68		36

 

IEC标准要求ESD源极接地通过两个470 kΩ电阻并联30 pF电容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地。这些结果也在刚才描述的IEC接地耦合方案上得到了验证，以增加信心。请记住，由于放大器的内部结构大不相同，因此适用于此列表中的设备的产品可能适用于其他设备，也可能不适用于其他设备。如果使用其他设备或其他保护组件，建议对其进行彻底测试。

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，额定值符合 ESD、EFT、浪涌标准）

ESD 压敏电阻： Bourns MLA 系列， 0603 26 V

附加组件：ESD压敏电阻

TVS二极管工作得很好，可以无限次敲击。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，直到它们看到一定的电压，然后它们变成低值电阻并将能量分流通过压敏电阻。

它们与TVS二极管的配置相同。它们的泄漏更少，成本不到TVS二极管的一半。请注意，它们不是为看到数百次打击而设计的，并且它们的抵抗力会随着每次撞击而降低。ESD压敏电阻也在上述产品上进行了测试，当内联电阻约为TVS二极管所需值的两倍时，性能最佳。

EFT 和浪涌呢？

这些产品仅根据ESD标准进行了测试。EFT的独特之处在于，尽管电压不高（4 kV及以下），但冲击以突发（5 kHz或更高）和较慢的上升时间（5 ns）进行。浪涌每次打击的能量大约是EFT的1000倍，但为EFT的1/1000千与波形一样快。如果还需要涵盖这些标准，请确保保护组件在其数据手册中声明他们可以处理这些标准。

电路保护简述

虽然RC滤波器或TVS二极管似乎很容易在事后考虑在电路中折腾，但请记住本文中提到的会影响系统性能和保护级别的所有其他事项。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，它可能会减轻系统设计最后阶段的紧急重新设计。

本文远非全面的概述。敏感性的话题将在我们的后续文章中得到更深入的处理。此外，基站接收器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机系统的理解。

审核编辑：郭婷