本文旨在協助指導系統設計人員瞭解不同類型的電氣超載(EOS)及其對系統的影響。雖然主要針對系統中產生的特定類型電應力,但是這些資訊也適用於各種場景。這個問題很重要,因為如果不加以適當地保護,即使是最好的電路也會導致性能下降的情況,或者因為電氣超載而受損。

何謂EOS?

EOS是一個通用的術語,表示因為過多的電子試圖透過相應路徑進入電路,導致系統承受過大壓力。有一點需要注意的是,這是一個隨功率和時間變化的函數。

如果我們將複雜電路看作一個消耗功率的簡單元件,例如,將它視為一個電阻。在額定功率為1W的1Ω電阻上施加1.1V電壓,計算功耗的公式如下:

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根據該計算可以得出,消耗的功率為1.21W。雖然電阻的額定功率為1W,但是可能存在一些餘量,所以暫時不用擔心這一點。但也並不能夠始終如此。

將電壓增加到2V時會出現什麼情況呢?如果功耗達到之前示例的4倍,那麼電阻可能會像一個空間加熱器在很有限的時間內提高環境溫度,但是請記住這個公式:

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如果將電壓增加到10V,但僅持續10毫秒(ms)呢?有趣的地方就在這裡:如果不瞭解元件,以及設計處理元件的目的,您就無法真正瞭解會對該元件產生什麼影響。現在,我們來看整個元件系統。

哪些部分易受EOS影響?

一般而言,任何包含電子元件的部分都容易受到EOS影響。特別薄弱的部分是那些與外界的介面,因為它們很可能是最先接觸到靜電放電(ESD)、雷擊等的部分。我們感興趣的元件包括USB埠、示波器的類比前端,以及最新的高性能物聯網(IoT)混合器充電埠等。

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圖1:8kV時的理想接觸放電電流波形。

如何知道要防範哪些問題?

雖然我們知道要保護系統免受電氣超載,但是這個術語太廣泛了,對於決定如何保護系統沒有任何幫助。為此,國際電子電機委員會(IEC)以及許多其他組織已經展開大量工作來弄清楚我們在現實生活中可能會遇到的EOS類型。我們將重點探討IEC規範,因為它們涵蓋廣泛的市場應用,而與該規範相關的混亂狀況也說明需要加以釐清。表1顯示了三項規範,定義了系統可能遇到的EOS狀況類型。儘管本文中只對ESD做深入探討,但也會讓大家熟悉電快速瞬變(EFT)和突波。

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圖2:符合IEC61000-4-4標準的電快速瞬變4級波形。

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表1:IEC規範。

IC製造商未對晶片實施ESD保護嗎?

問題的答案是既肯定又否定,看似並不那麼令人滿意。沒錯,這些晶片中的保護主要用於因應製造過程中的ESD,而不是在系統通電狀態下的ESD。這一個差異非常重要,因為在放大器連接電源和沒連接電源時,其於遭受靜電時的反應截然不同。例如,內部保護二極體可消除在未供電時對元件的ESD衝擊。但是,當有電源供電時,對元件的ESD衝擊可能會使內部結構傳導的電流超過其設計承受水準。這可能導致該元件損毀,具體則由元件和電源電壓決定。

全球亟待解決的問題:如何保護IC免受潛在威脅?

我希望您能夠意識到,這個挑戰涉及很多因素,無法僅以一個簡單的解決方案套用在所有情況。以下是所涉及的因素列表,包括決定元件能否承受EOS事件的各種因素。這些因素分為兩組:我們無法控制的因素,以及可以人為控制的因素。

無法控制的因素:

  • IEC波形:ESD、EFT和突波的曲線各有不同,它們會以不同的方式攻擊元件的某些弱點。
  • 考慮元件的製程技術:有些製程技術比其他技術更容易發生閂鎖。例如,CMOS製程容易發生閂鎖,但在許多現代製程中,可以透過精心設計和溝槽隔離等方法減輕這種危害。
  • 考慮元件的內部結構:IC的設計方法很多,所以對一種電路有效的保護方案對另一種可能無效。例如,許多元件都有時序電路,檢測到波形夠快時,就會啟動保護結構。這可能意味著,如果您在ESD的位置增加更多電容,那麼能夠承受ESD衝擊的元件可能無法承受這種電容衝擊。這種結果出乎意料,但認識到以下這一點則是非常重要的:常見的電路保護方法,即RC濾波器,可能會讓情況更糟。

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圖3:IEC61000-4-5突波在8μs/20μs電流波形位置轉為正常狀態。

可以控制的因素:

  • PCB佈局:元件離衝擊的位置越近,其電能波形就越高。這是因為當衝擊波形沿某條路徑傳播時,從傳播路徑輻射出去的電磁波(EMI)會產生能量損耗、這是由於路徑電阻產生的熱量以及與周邊導體耦合的寄生電容和電感所導致的。
  • 保護電路:這是對元件的生存能力最有意義的部分。上述無法控制的因素將會影響我們如何設計保護方案。

利用OVP和OTT保護電路?

現在有過壓保護(OVP)和過限額(OTT)特性。我可以利用這些特性來保護電路不受高壓瞬變影響嗎? 不能!請不要這麼做。這不是個好主意。OVP和OTT特性讓元件的輸入在承受超過電源電壓的電壓時,本身不會受到損壞。依靠這些特性來保護電路不受高壓瞬變影響,就像是依靠雨靴來因應高壓清洗機一樣。雨靴只對水深不超過其高度的淺水坑有效,就像OVP和OTT只適用於比其額定值低的電壓。OVP和OTT的額定電壓比給定的供電軌電壓高幾十伏,無法抵抗8,000V的高壓。

如何知道保護電路是否有效?

透過結合元件知識、經驗和測試,大致可以知道系統中應該採用哪些元件最有利。為了保證元件可控,各家製造商提供了五花八門的保護元件,在此只討論兩種經證實能夠有效保護類比前端的電路保護方案。以下方案假設採用一個緩衝配置的運算放大器。這被認為是最嚴格的保護測試,因為同相輸入會承受所有衝擊,除此以外,電能無處可去(安裝保護電路之前)。

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圖4:IEC-61000-4-2測試中採用的電路。

設計考量:

  • R1應該是一個防脈衝(厚膜)電阻,這樣在經受高壓瞬變時不會輕易毀壞。
  • R1電壓雜訊與電阻值的平方根成正比,如果系統需要低雜訊,這是一個重要的考慮因素。
  • C1應該是一個陶瓷電容,其封裝尺寸至少為0805,以減小封裝的表面電弧。
  • C1至少應為X5R類型溫度係數的電容(理想為C0G/NP0類型),以保持可預測的電容值。
  • C1內部的等效串聯電感和電阻應盡可能低,以便有效吸收衝擊。
  • 針對給定的封裝尺寸,C1的額定電壓應盡可能高(最低100V)。
  • 在本例中,C1的位置在R1之前,因為它建構了一個電容分壓器,其中150pF電容(如圖5所示)將ESD波形放電到系統中,這樣在放大器經受波形之前,能量已經先分流。

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圖5:透過在類比輸入端配置低通濾波器實現輸入保護。

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表2:RC網路保護方案。

值得注意的是,雖然這種前端保護方法並沒有得到電容製造商的認可,但在針對放大器的數百次測試中證明是有效的。ESD測試曲線(如下所述)僅在有限範圍的電容產品上進行過測試,因此,如果使用不同的電容產品,需要先表徵其因應衝擊的特性,例如透過測量經受ESD衝擊之前和之後的電容和等效串聯電阻的方法,這一點非常重要。該電容元件應保持容值穩定,並且在受衝擊後,始終在直流(DC)下保持開路狀態。

設計考量:

  • 與RC網路相同:R1應能承受脈衝,但可能需要考慮雜訊。
  • 應該指明D1需要滿足的標準。有些可能只涵蓋ESD,其他的則涵蓋EFT和突波標準。
  • D1應該是雙向的,這樣它就可以同時因應正負衝擊。
  • D1反向工作電壓應盡可能高,同時仍需透過必要的測試。如果過低,在正常的系統電壓電平下可能出現漏電流;如果過高,則可能無法在系統損壞之前做出反應。

TVS二極體洩漏將會降低性能?

但是,我聽說TVS二極體經常發生洩漏,這會降低性能。

在類比電子領域,大家都知道TVS二極體容易發生洩漏,因此不能用於精密類比前端。但有時情況不是這樣,許多產品資料手冊中的洩漏電流 < 100µA,對於大多數類比產品這個值是相當高的。對於這個數值的問題在於,它是在最高溫度(150°C)和最大工作電壓下的取值。在這種情況下,二極體極易洩漏。超過85°C,所有二極體的洩漏電流會更高。只要選擇反向工作電壓更高的TVS二極體,且不期望在85°C以上實現極低漏電流,則有望獲得更低的洩漏電流。

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圖6:透過在類比輸入端配置TVS二極體實現輸入保護。

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表3:TVS網路保護方案。

如果您選擇了合適的TVS,洩漏電流值可能低到讓您驚訝。圖7所示為測量12個相同產品型號的TVS二極體時獲得的洩漏資料。

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圖7:36V雙向TVS二極體——Bournes T36SC的洩漏值,在TIA中採用ADA4530評估板與遮罩,以及在25℃時採用10G電阻。

在測量的12個TVS二極體中,DC偏置電壓為5V時,最嚴重的洩漏量為7pA。這比最壞情況下資料表的值要好千百萬倍。當然,不同批次的TVS二極體在洩漏方面存在差異,但這至少可以說明預期的洩漏幅度。如果系統承受的溫度不超過85°C,TVS二極體可能是個不錯的選擇。只要記住,如果您選擇的產品不是本文所述的測試產品,請表徵其洩漏特性。對一個元件或製造商而言正確的結論,對其他元件或製造商可能並不正確。

測試結果:

採用IEC ESD標準對一系列運算放大器進行了測試。表4顯示不同保護方案分別適合保護的元件。雖然ESD標準規定在±8kV要保證經受三次衝擊,但所有受測試的方案都通過了在±9kV時經受100次衝擊的測試,以確保提供足夠的保護餘量。

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表4:通過IEC-61000-4-2測試的元件清單及其各自的保護配置。

IEC標準要求透過將兩個470kΩ電阻與30pF電容並聯,使ESD電源的接地端與放大器的接地端連接在一起。這項測試的設定則更為嚴格,它將ESD電源的接地端與放大器的接地端直接相連。這些結果也在IEC接地耦合方案中得到了驗證,而可以進一步增強產品的可信賴度。請記住,由於放大器的內部結構存在很大不同,對清單中的元件適用的資料可能適用,也可能不適用於其他元件。如果使用其他元件或其他保護元件,建議對其進行全面測試。

使用的保護元件:

  • 電阻:Panasonic 0805 ERJ-P6系列
  • 電容:Yageo 0805 100V C0G/NPO
  • TVS二極體:Bourns CDSOD323-T36SC(雙向、36V、極低漏電流,符合ESD、EFT和突波標準)
  • ESD壓敏電阻:Bourns MLA系列、0603 26V

Bonus元件:ESD壓敏電阻

TVS二極體性能良好,可以耐受無數次的衝擊。這對於EFT和突波保護而言非常不錯,但是,如果您只需要ESD保護,那麼不妨看看ESD壓敏電阻,在達到某個電壓值之前,它們都用作高壓電阻,達到該電壓值之後,它們就轉變為低壓電阻,可以分流掉壓敏電阻中的電能。

可採用與TVS二極體相同的配置。它們的洩漏更少,成本不到TVS二極體的一半。請注意,其設計並不要求經受數百次衝擊,且其電阻會隨著每次衝擊下降。ESD壓敏電阻也在上述產品上進行了測試,當串聯電阻值約為TVS二極體所需值的兩倍時,該壓敏電阻的性能最佳。

那麼EFT和突波呢?

這些產品只在ESD標準下進行過測試。EFT的獨特之處在於,雖然電壓不高(4kV及以下),其衝擊卻是爆發式(5kHz或以上),上升時間較慢(5ns)。突波每次衝擊的能量大約是EFT的1,000倍,但速度只有波形的1/1000。如果還需要涵蓋這些標準,請確保在保護元件的產品資料手冊上表明它們可以因應這個問題。

雖然看起來事後在電路中添加RC濾波器或TVS二極體並不難,但請注意,本文中提到的所有其他因素會影響系統性能和保護級別。這包括佈局、前端使用的元件,以及需要滿足的IEC標準。如果您從開始就謹記這一點,就可以避免在系統設計的最後階段可能出現需要重新設計的緊急狀況。

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年9月號