ADI:处理模仿输入IEC体系维护问题

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简介

与体系模仿输入和输出节点交互效果的外置高压瞬变或许损坏体系中未选用充沛维护措施的集成电路(IC)。现代IC的模仿输入和输出引脚一般选用了高压静电放电(ESD)瞬变维护措施。人体模型(HBM)、机器模型(MM)和充电器材模型(CDM)是用来丈量器材接受ESD事情的才能的器材级规范。这些测验旨在保证器材能接受器材制作和PCB装置流程中的静电压力，一般在受控环境中施行。

作业于恶劣电磁环境中的体系在输入或输出节点上需求接受高压瞬变——而且在从器材级规范转向体系级规范以完成高压瞬变鲁棒性时，传输到IC引脚的能量水平存在明显差异。因而，直接与这些体系输入/输出节点衔接的IC也有必要选用充沛的维护措施，以接受体系级高压瞬变。假如在体系规划中未能及早考虑这种维护机制，成果或许导致体系维护缺乏、产品发布推延、体系功用下降等问题。本文旨在描绘怎么维护活络的模仿输入和输出节点，使其免受这些IEC规范瞬变的影响。

IEC 61000

IEC 61000是有关EMC鲁棒性的体系级规范。该规范中触及高压瞬变的三个部分为IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5。这些是针对静电放电(ESD)、电快速瞬变(EFT)和浪涌的体系级规范。这些规范界说了在施加这些瞬变影响的状况下用于评价电子电气设备抗扰度的波形、测验办法和测验等级。

IEC 61000-4-2测验的首要意图是确认体系在运转过程中对体系外部的ESD事情的免疫才能——例如，假如体系输入/输出触摸到带电人体、电缆、东西时。IEC 61000-4-2规则要运用两种耦合办法测验：触摸放电和气隙放电。

IEC 61000-4-4 EFT测验触及将快速的瞬变脉冲群耦合到信号线上，以表征与外部开关电路相关的瞬变搅扰，这类电路能够以容性方法耦合至信号线。这种测验反映了开关触点颤动，或许因为理性或容性负载切换而发作的瞬变，而一切这些在工业环境中都很常见。

浪涌瞬变一般由开关操作构成的过压状况或雷击构成。开关瞬变的原因或许是电力体系切换、配电体系中的负载改变或各种体系毛病（例如装置时与接地体系构成短路和电弧毛病）。雷电瞬变的原因可所以邻近的雷击将高电流和电压注入电路中。

瞬变电压按捺器

TVS的基本参数：

瞬变电压按捺器(TVS)能够用于按捺电压浪涌。用于箝位高压瞬变，使大电流绕过活络电路。TVS的基本参数为：

• 作业峰值反向电压：低于该值时不会发作明显导电现象的电压
• 击穿电压：等于该值时会发作规则导电现象的电压
• 最大箝位电压：器材上传导规则的最大电流的最大电压

在体系输入或输出上运用TVS器材时要考虑多个要素。ESD或EFT事情会发作超快时刻（1 ns至5 ns）的瞬变波形，在TVS器材箝位击穿电压之前，在体系输入上导致初始过冲电压。浪涌事情具有不同的瞬变波形，上升时刻缓慢(1.2 μs)，脉冲继续时刻长(50 μs)；而且在该事情下，将在击穿电压下开端箝位电压，但或许一向增大至TVS最大箝位电压。别的，TVS有必要高于或许由接线过错、断电或用户过错导致的任何容许直流过压，以维护体系，使其免受该直流过压事情的影响。一切三种状况都有或许在下流电路的输入上导致具有潜在损坏效果的过压。

模仿输入维护电路

为了全面维护体系输入/输出节点，有必要对体系进行直流过压和高压瞬变维护。在体系输入节点用一个鲁棒的精细型过压维护(OVP)开关，加上TVS，能够维护活络的下流电路（例如，模数转换器或放大器输入/输出），因为这样能够阻断过压、按捺未被TVS分流到地的剩下电流。

图2显现了一个典型过压维护开关的功用框图；留意，该开关的ESD维护二极管未以其输入节点上的电源电压为基准。相反，它有一个ESD维护单元，在超越器材最大接受电压时激活，使器材能接受并阻断超越其电源电压的电压。因为模仿体系一般只要求开关的外向引脚选用IEC维护，所以，ESD维护二极管仍然保留在内向引脚上（标志为开关输出端或漏极点）。这些二极管能带来额定的优点，因为它们起到辅佐维护器材的效果。在继续时刻较短、上升时刻快的高压瞬变（如ESD或EFT）过程中，因为瞬变电压会被箝位，所以电压不会抵达下流电路。在继续时刻较长、上升时刻慢的高压瞬变（如浪涌）过程中，在开关过压维护功用被激活、开关断开、使毛病彻底与下流电路别离之前，内部维护二极管会箝位开关的输出电压。

图3显现了一个与外部接口的体系输入端的作业区域。最左面的区域（绿色）表明正常作业区间，输入电压坐落电源电压规模以内。左起第二个区域（蓝色）表明输入端或许存在继续直流或长时刻沟通过压的规模，原因是断电、接线过错或短路。别的，图中最右侧（紫色）是过压开关内部ESD维护二极管的触发电压。挑选的TVS击穿电压（橙色）有必要小于过压维护开关的最大接受电压而且大于任何已知的或许继续直流或长时刻沟通过压，避免无意中触发TVS。

图4中的维护电路能够接受最高8 kV IEC ESD（触摸放电）、16 kV IEC ESD（空气放电）、4 kV EFT和4 kV浪涌。ADG5412F（来自ADI公司的±55 V过压维护和检测、四通道单刀双掷开关）能够接受ESD、EFT和浪涌瞬变导致的过压，过压维护电路与漏极上的维护二极管一起维护和阻隔下流电路。表1展现的是ADG5412F在TVS击穿电压与电阻的各种组合下能够接受的高压瞬变电平。

图4也展现了高压瞬变事情过程中的各种电流途径。大部分电流经过TVS器材分流到地（途径I1）。途径I2展现的是经过ADG5412F输出节点上的内部ESD耗费的电流，一起，输出电压被箝坐落比电源电压高0.7 V的水平。最终，途径I3中的电流是下流器材有必要接受的剩下电流水平。有关该维护电路的更多概况，请参阅ADI公司使用笔记AN-1436。

IEC ESD维护

图6和图7所示为在8 kV触摸放电和16 kV空气放电IEC ESD事情在图5所示测验电路上的测验成果。如前所述，在TVS器材将电压箝位至54 V左右之前，源引脚上有一个初始过压。在此过压过程中，开关漏极上的电压被箝坐落比电源电压高0.7 V的水平。漏极电流丈量成果展现的是流入下流器材二极管中的电流。脉冲峰值电流约为680 mA，电流继续时刻约为60 ns。比较之下，1 kV HBM ESD电击的峰值电流为660 mA，继续时刻为500 ns。咱们因而能够得出定论以为，在选用这种维护电路的条件下，HBM ESD额定值为1 kV的下流器材应该能接受8 kV触摸放电和16 kV空气放电IEC ESD事情。

EFT 维护

图8是在4 kV EFT事情的一个脉冲的丈量成果。与ESD瞬变过程中发作的状况相似，在TVS器材将电压箝位至54 V左右之前，源引脚上有一个初始过压。在此过压过程中，开关漏极上的电压再次被箝坐落比电源电压高0.7 V的水平。在这种状况下，流入下流器材中的脉冲峰值电流仅为420 mA，电流继续时刻仅约为90 ns。相同与HBM ESD事情比较，750 kV HBM ESD的电压的峰值电流为500 mA，继续时刻为500 ns。因而，在4 kV EFT事情期间，能量被传输至下流器材的引脚上，该能量少于750 kV HBM ESD事情下的能量。

浪涌维护

图9中是将4 kV浪涌瞬变施加到维护电路输入节点上时的丈量成果。如前所述，源电压或许增大并超越TVS击穿电压，一向到达最大箝位电压。该电路中的过压维护开关的反应时刻约为500 ns，而且在这前500 ns的时刻内，器材漏极上的电压被箝坐落比电源电压高0.7 V的水平。在此期间以及约500 ns后，流至下流器材的峰值电流仅为608 mA，开关封闭并使下流电路与毛病阻隔。相同，这儿的能量少于1 kV HBM ESD事情期间传输的能量。

定论

本文描绘了怎么根据IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5规范的规则，对集成电路模仿输入和输出进行高压瞬变维护。

本文阐明了怎么规划体系输入输出维护电路，一起为用户带来如下优点：

• 简化维护规划
• 加快产品上市
• 进步维护电路功用，削减分立元件数量
• 减小信号途径中的串联电阻阻值
• 因为TVS规划窗口很宽，TVS挑选更便利
• 到达下列规范的体系-级维护
  • IEC 61000-4-2 16 kV空气放电
  • IEC 61000-4-2 8 kV触摸放电
  • IEC 61000-4-4 4 kV
  • IEC 61000-4-5 4 kV
• 沟通和继续直流过压维护高达±55 V
• 掉电维护可达±55V

附录

ADI过压维护和检测产品：±55 V OVP