造就產(chǎn)品更牢靠的電路保護方法

造就產(chǎn)品更牢靠的電路保護方法　

幾乎所有電子OEM領(lǐng)域的功能密度正在日益增長(cháng)，使寶貴的硅片更易于受到真實(shí)世界的損害。采取花錢(qián)較少的簡(jiǎn)單措施，就可以保護您的產(chǎn)品和您公司的聲望，還能在極端情況下保護您的客戶(hù)。

　　要點(diǎn)
　　產(chǎn)品的聲譽(yù)依賴(lài)于產(chǎn)品的牢靠性。
　　在確定一個(gè)瞬變保護電路之前，要比較你的電路對漏電流和并聯(lián)電容的容限。
　　要將候選保護器件的速度與你打算預防的瞬變的合理模型進(jìn)行比較。
　　要提防在沒(méi)有瞬變源模型和測試方法的情況下就規定瞬變耐受電平的 IC 制造商。單單瞬變耐受電平是不能說(shuō)明什麼問(wèn)題的。

　　由于電子行業(yè)向作為優(yōu)勢設計工具的小尺寸 CMOS 工藝的演進(jìn)，業(yè)已提高了信號處理與計算性能、能量效率、經(jīng)濟性以及緊湊性，但在面臨不可避免的常見(jiàn)電氣瞬變危害時(shí)同時(shí)又使IC 固有的牢靠性下降。
　　概括說(shuō)來(lái)，瞬變源可分為閃電、開(kāi)關(guān)、EMP（電磁脈沖）和 ESD（靜電放電）四種。在這四種瞬變源中，EMP 很少見(jiàn)，主要由核事件產(chǎn)生。但是，與 EMP一樣，幾乎所有電瞬變源都是由存儲的能量突然釋放產(chǎn)生的。閃電和 ESD 是由靜電荷突然釋放產(chǎn)生的，而開(kāi)關(guān)瞬變通常是由于存在顯式電抗或寄生電抗時(shí)電流或電壓發(fā)生突變，導致靜電場(chǎng)或電磁場(chǎng)劇變而產(chǎn)生的。
　　某一類(lèi)中的瞬變源往往表現出相同的時(shí)域特性。例如，開(kāi)關(guān)瞬變具有周期性的特點(diǎn)，其幅度與重復頻率會(huì )因某一裝置的細節不同而各異。閃電與 ESD 脈沖則是非周期性的，其發(fā)生地點(diǎn)超出了大的地理趨勢，是不可預測的（圖 1）。（TechFlick：圖 1 的動(dòng)畫(huà)版，顯示全球每平方公里每年的閃電數。圖形與視頻均由 NASA 國際空間科學(xué)與技術(shù)中心閃電組提供。）

　　閃電與 ESD 脈沖也是難以測量的，其幅度變化范圍很大。各工業(yè)部門(mén)都開(kāi)發(fā)并推廣了各種瞬變源的標準與試驗方法。這些標準盡管在一些重要方面（例如電荷存儲與源阻抗）可能各有不同，但在瞬變對在其它情況下不會(huì )令人懷疑的電路的危害是如何出現的原理上卻是一致的（表 1）。這種表格式的數據反映的情況是不全面的：瞬變波形不是方波，但上升時(shí)間呈快速指數型，下降時(shí)間則是緩慢的指數型，在峰值波幅處幾乎沒(méi)有停留時(shí)間。

　　對于任何易受瞬變影響的給定節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其保護方法必須同時(shí)滿(mǎn)足幾個(gè)要求。這種保護方法必須能將被保護節點(diǎn)箝位在安全電位上。因此，一個(gè)合適的保護器件因其保護的電路類(lèi)型不同而有所不同。保護器件對于瞬變上升沿的響應必須足夠快，以保持節點(diǎn)電壓低于損壞閾值。低電感并聯(lián)器件和低電容串聯(lián)元件都有助于滿(mǎn)足這一要求，但條件是印制電路板的設計要采用良好的高速布線(xiàn)技術(shù)來(lái)實(shí)現保護網(wǎng)絡(luò )。最后，這種保護方法要么必須能吸收瞬變產(chǎn)生的能量，要么必須使該能量在瞬變源阻抗上耗散掉。由于這一原因，OEM 設計師不能總是依賴(lài)于半導體的片上保護單元，而常常必須增加電路板級的保護元件。因此，對某一給定的瞬變類(lèi)型來(lái)說(shuō)，確定其保護方法的第一步就是計算電路必須吸收的總脈沖能量。另外還要考慮可能的重復頻率與升溫時(shí)間常數，以保證箝位元件在關(guān)鍵時(shí)刻不過(guò)熱。
　　最經(jīng)常受影響的節點(diǎn)是一個(gè)系統中暴露在外的端口，其中包括電源入口和信號 I/O 。這些節點(diǎn)可能還包括接近絕緣表面的一些內部節點(diǎn)，鍵盤(pán)和顯示器中的情況就是這樣。瞬變未必產(chǎn)生于某根特定的引腳，從而損壞其相關(guān)電路與某個(gè)子系統連接的引腳上產(chǎn)生的瞬變脈沖可通過(guò)電容耦合到連接其他子系統的引腳上，然后發(fā)生擊穿，或在擊穿之后的電流突變期間，通過(guò)電感耦合到連接其它子系統的引腳上。在這樣的情況下，只保護最初的受害電路是不夠的。例如，如果某個(gè)設備將信號引腳與電源輸入線(xiàn)捆綁在一起，比如說(shuō)由電動(dòng)機引起的電源瞬變就會(huì )耦合到信號節點(diǎn)，但信號幅度有所降低。
　　高速電路的保護之所以具有挑戰性，是因為高速電路對箝位電路另外加到被保護節點(diǎn)的并聯(lián)電容負載很敏感。這就是光纖饋線(xiàn)在高速通信中，甚至對于短距離鏈路（如機架到機架的鏈路）具有吸引力的幾個(gè)原因之一（參考文獻 1 和 2）。
　　工業(yè)和醫療信號調節系統中常見(jiàn)的隔離前端可阻擋很大的共模電壓，而卻讓信號的差模分量通過(guò)。共模分量出現在隔離層上，隔離層的擊穿電壓有限，通常為 500V ~ 2kV 。超出隔離層擊穿電壓的瞬變信號（如ESD 脈沖）將通過(guò)隔離層的設計所確定的一條路徑向系統一方的接地放電（圖 2）。這種路徑的可預測性大小不一，取決于隔離層的類(lèi)型：光隔離層、電容隔離層或磁隔離層。

　　以毒攻毒
　　用峰值電壓和峰值電流表示的閃電脈沖是你需要預防的最大瞬變源。即使在距離閃電地點(diǎn)很遠的地方，閃電引起的浪涌也具有相當高的能量，很少有保護器件能幸免于難，遠不足以保護它們所連接的節點(diǎn)。表 2 進(jìn)一步表明表 1 中閃電特性的擊穿情況。
　　最可能遭受閃電的節點(diǎn)連接到電源輸入端，或者連接到很長(cháng)的室外信號饋線(xiàn)，如POTS（普通老式電話(huà)系統）、DSL 或有線(xiàn)電視系統中的信號饋線(xiàn)。盡管POTS 饋線(xiàn)的帶寬適中，但 DSL 是安裝在 POTS基礎結構上的，所以保護器件的并聯(lián)電容必須最小，有線(xiàn)電視的情況也是一樣。GDT（氣體放電管），也稱(chēng)等離子體避雷器，是這種大型分布式系統的第一道防線(xiàn)。
　　在正常的工作條件下，一只 GDT 的并聯(lián)阻抗約為 1 TΩ ，并聯(lián)電容為 1 pF以下。當施加在GDT 兩端的電勢低于氣體電離電壓（即“輝光”電壓）時(shí)，GDT 的小漏電流（典型值小于1 pA）和小電容幾乎不發(fā)生變化。一旦GDT達到輝光電壓，其并聯(lián)阻抗將急劇下降，從而電流流過(guò)氣體。不斷增加的電流使大量氣體形成等離子體，等離子體又使該器件上的電壓進(jìn)一步降低至 15V 左右。當瞬變源不再繼續提供等離子電流時(shí)，等離子體就自動(dòng)消失。GDT的凈效果是一種消弧作用，它能在 1ms內將瞬變事件期間的電壓限制在大約15V以下。GDT的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是迫使大部分能量消耗在瞬變的源阻抗中，而不是消耗在保護器件或被保護的電路中。GDT 的觸發(fā)電壓由信號電壓的上升速率（dV/dt）、GDT的電極間隔、氣體類(lèi)型以及氣體壓力共同確定（參考文獻 3）。該器件可以承受高達 20 kA 的電流。