解決類比輸入IEC系統保護問題

作者：David Forde


簡介

與系統類比輸入和輸出節點交互作用的外部高壓瞬變可能破壞系統中未採用充分保護措施的積體電路(IC)。現代IC的類比輸入和輸出接腳通常採用了高壓靜電放電(ESD)瞬變保護措施。人體模型(HBM)、機器模型(MM)和充電元件模型(CDM)是用來測量元件承受ESD事件的能力的元件級標準。這些測試旨在確保元件能承受元件製造和PCB裝配流程中的靜電壓力，通常在受控環境中實施。

操作於惡劣電磁環境中的系統在輸入或輸出節點上需要承受高壓瞬變——並且在從元件級標準轉向系統級標準以實現高壓瞬變強固性時，傳輸到IC接腳的能量水準存在顯著差異。因此，直接與這些系統輸入/輸出節點連接的IC也必須採用充分的保護措施，以承受系統級高壓瞬變。如果在系統設計中未能及早考慮這種保護機制，結果可能導致系統保護不足、產品發佈推遲、系統性能下降等問題。本文旨在描述如何保護敏感的類比輸入和輸出節點，使其免受這些IEC標準瞬變的影響。

Figure 1
圖1.針對精密類比輸入的IEC系統保護。

IEC 61000

IEC 61000是有關EMC強固性的系統級標準。該標準中涉及高壓瞬變的三個部分為IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5。這些是針對靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪湧的系統級標準。這些標準定義了在施加這些瞬變影響的情況下用於評估電子電氣設備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統在運行過程中對系統外部的ESD事件的免疫能力——例如，如果系統輸入/輸出接觸到帶電人體、電纜、工具時。IEC 61000-4-2規定要使用兩種耦合方法測試：接觸放電和氣隙放電。

IEC 61000-4-4 EFT測試涉及將快速的瞬變脈衝群耦合到訊號線上，以表徵與外部開關電路關聯的瞬變干擾，這類電路能夠以容性方式耦合至訊號線。這種測試反映了開關觸點抖動，或者因為感性或容性負載切換而產生的瞬變，而所有這些在工業環境中都很常見。

湧浪瞬變通常由開關操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關瞬變的起因可能是電力系統切換、配電系統中的負載變化或各種系統故障（例如安裝時與接地系統形成短路和電弧故障）。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。

瞬變電壓抑制器

TVS的基本參數：

瞬變電壓抑制器(TVS)可以用於抑制電壓浪湧。用於箝位高壓瞬變，使大電流繞過敏感電路。TVS的基本參數為：

  • 操作峰值反向電壓：低於該值時不會發生顯著導電現象的電壓
  • 擊穿電壓：等於該值時會發生規定導電現象的電壓
  • 最大箝位元電壓：元件上傳導規定的最大電流的最大電壓

在系統輸入或輸出上使用TVS元件時要考慮多個因素。ESD或EFT事件會產生超快時間（1 ns至5 ns）的瞬變波形，在TVS元件箝位元擊穿電壓之前，在系統輸入上導致初始過沖電壓。湧浪事件具有不同的瞬變波形，上升時間緩慢(1.2 μs)，脈衝持續時間長(50 μs)；並且在該事件下，將在擊穿電壓下開始箝位元電壓，但可能一直增大至TVS最大箝位元電壓。另外，TVS必須高於可能由接線錯誤、斷電或使用者錯誤導致的任何容許直流過壓，以保護系統，使其免受該直流過壓事件的影響。所有三種情況都有可能在下游電路的輸入上導致具有潛在破壞作用的過壓。

類比輸入保護電路

為了全面保護系統輸入/輸出節點，必須對系統進行直流過壓和高壓瞬變保護。在系統輸入節點用一個強固的精密型過壓保護(OVP)開關，加上TVS，可以保護靈敏的下游電路（例如，類比數位轉換器或放大器輸入/輸出），如此可以阻斷過壓、抑制未被TVS分流到地的剩餘電流。

Figure 2
圖2.OVP開關功能框圖。

圖2顯示了一個典型過壓保護開關的功能框圖；注意，該開關的ESD保護二極體未以其輸入節點上的電源電壓為基準。相反的，它具有一個ESD保護單元，在超過元件最大承受電壓時啟動，使元件能承受並阻斷超過其電源電壓的電壓。由於類比系統通常只要求開關的外向接腳採用IEC保護，所以，ESD保護二極體依然保留在內向接腳上（標誌為開關輸出端或漏極端）。這些二極體能帶來額外的好處，因為其可以發揮輔助保護元件的作用。在持續時間較短、上升時間快的高壓瞬變（如ESD或EFT）過程中，由於瞬變電壓會被箝位，所以電壓不會到達下游電路。在持續時間較長、上升時間慢的高壓瞬變（如湧浪）過程中，在開關過壓保護功能被啟動、開關斷開、使故障完全與下游電路分離之前，內部保護二極體會箝位元開關的輸出電壓。

圖3顯示了一個與外部介面的系統輸入端的工作區域。最左邊的區域（綠色）表示正常工作區間，輸入電壓位於電源電壓範圍以內。左起第二個區域（藍色）表示輸入端可能存在持續直流或長時間交流過壓的範圍，原因是斷電、接線錯誤或短路。另外，圖中最右側（紫色）是過壓切換開關內部ESD保護二極體的觸發電壓。選擇的TVS擊穿電壓（橙色）必須小於過壓保護切換開關的最大承受電壓並且大於任何已知的可能持續直流或長時間交流過壓，以免無意中觸發TVS。

Figure 3
圖3.系統工作區域。

圖4中的保護電路可以承受最高8 kV IEC ESD（接觸放電）、16 kV IEC ESD（空氣放電）、4 kV EFT和4 kV湧浪。 ADG5412F（來自ADI公司的±55 V過壓保護和檢測、四通道單刀雙擲開關）可以承受ESD、EFT和湧浪瞬變導致的過壓，過壓保護電路與漏極上的保護二極體共同保護和隔離下游電路。表1展示的是ADG5412F在TVS擊穿電壓與電阻的各種組合下可以承受的高壓瞬變位準。

保護網路由一個TVS和一個可選的低值電阻構成。電阻用於實現高電平ESD和EFT保護，因為它可以防止過壓開關的內部ESD保護單元在TVS箝位元輸入節點上的電壓之前啟動。

Figure 4
圖4.保護電路。

表1.測試結果（未在0 Ω電阻與33 V TVS及45 V TVS組合條件下進行IEC空氣放電測試）
保護 保護IEC 61000-4-2 ESD接觸放電 IEC 61000-4-2 ESD接觸放電IEC 61000-4-2 ESD空氣放電 IEC 61000-4-4 EFT IEC 61000-4-4 EFT IEC 61000-4-5 湧浪
33 V TVS和0 Ω電阻 5 kV
3 kV 4 kV
33 V TVS和10 Ω電阻 8 kV 16 kV 4 kV 4 kV
45 V TVS和0 Ω電阻 4 kV
2 kV 4 kV
45 V TVS和15 Ω電阻 8 kV 16 kV 4 kV 4 kV
45 V TVS和30 Ω電阻 8 kV 16 kV 4 kV 4 kV

圖4也展示了高壓瞬變事件程序中的各種電流路徑。大部分電流透過TVS元件分流到地（路徑I1）。路徑I2展示的是通過ADG5412F輸出節點上的內部ESD消耗的電流，同時，輸出電壓被箝位於比電源電壓高0.7 V的水準。最後，路徑I3中的電流是下游元件必須承受的剩餘電流水準。有關該保護電路的更多詳情，請參閱ADI公司應用筆記 AN-1436。

IEC ESD保護

Figure 5
圖5.測試電路

圖6和圖7所示為在8 kV接觸放電和16 kV空氣放電IEC ESD事件在圖5所示測試電路上的測試結果。如前所述，在TVS元件將電壓箝位至54 V左右之前，源接腳上有一個初始過壓。在此過壓過程中，開關漏極上的電壓被箝位於比電源電壓高0.7 V的水準。漏極電流測量結果展示的是流入下游元件二極體中的電流。脈衝峰值電流約為680 mA，電流持續時間約為60 ns。相較之下，1 kV HBM ESD電擊的峰值電流為660 mA，持續時間為500 ns。我們因此可以得出結論認為，在採用這種保護電路的條件下，HBM ESD額定值為1 kV的下游元件應該能承受8 kV接觸放電和16 kV空氣放電IEC ESD事件。

Figure 6
圖6.8 kV事件期間的漏極電壓和漏極輸出電流。

Figure 7
圖7.16 kV空氣放電事件期間的漏極電壓和漏極輸出電流。

EFT保護

圖8是在4 kV EFT事件的一個脈衝的測量結果。與ESD瞬變過程中發生的情況類似，在TVS元件將電壓箝位至54 V左右之前，源接腳上有一個初始過壓。在此過壓過程中，開關漏極上的電壓再次被箝位於比電源電壓高0.7 V的水準。在這種情況下，流入下游元件中的脈衝峰值電流僅為420 mA，電流持續時間僅約為90 ns。同樣與HBM ESD事件相比，750 kV HBM ESD的電壓的峰值電流為500 mA，持續時間為500 ns。因此，在4 kV EFT事件期間，能量被傳輸至下游元件的接腳上，該能量少於750 kV HBM ESD事件下的能量。

Figure 8
圖8.單次脈衝的EFT電流。

湧浪保護

圖9中是將4 kV湧浪瞬變施加到保護電路輸入節點上時的測量結果。如前所述，源電壓可能增大並超過TVS擊穿電壓，一直達到最大箝位元電壓。該電路中的過壓保護開關的反應時間約為500 ns，並且在這前500 ns的時間內，元件漏極上的電壓被箝位於比電源電壓高0.7 V的水準。在此期間以及約500 ns後，流至下游元件的峰值電流僅為608 mA，開關關閉並使下游電路與故障隔離。同樣，這裡的能量少於1 kV HBM ESD事件期間傳輸的能量。

Figure 9
圖9. 湧浪事件期間OVP工作原理。

結論

本文描述了如何依據IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5標準的規定，對積體電路模擬輸入和輸出進行高壓瞬變保護。

本文說明了如何設計系統輸入輸出保護電路，同時為使用者帶來如下好處：

  • 簡化保護設計
  • 加速產品上市
  • 提高保護電路性能，減少分立元件數量
  • 減小訊號路徑中的串聯電阻阻值
  • 由於TVS設計視窗很寬，TVS選擇更方便
  • 達到下列標準的系統-級保護

    • IEC 61000-4-2 16 kV 空氣放電
    • IEC 61000-4-2 8 kV 接觸放電
    • IEC 61000-4-4 4 kV
    • IEC 61000-4-5 4 kV
  • 交流和持續直流過壓保護高達±55 V
  • 掉電保護可達±55V

附錄

ADI過壓保護和檢測產品：±55 V OVP

產品型號 配置 HBM ESD 電平 (kV) 技術規格 電壓特性 (VNOM) 封裝
RON 典型值(Ω) RON 平坦度 (Ω) 漏電流典型值 (nA) QINJ 典型值 (pC) 頻寬 (MHz) 單通道 雙通道
12 36 ±15 ±20 TSSOP LFCSP
ADG5412F/
ADG5413F 		SPST 4 5.5 10 0.6 0.3 680 270
 
EP
ADG5412BF/
ADG5413BF 		SPST 4 3 10 0.6 0.3 680 270        
ADG5436F SPDT 2 6 10 0.6 0.3 654 108        
ADG5243F SPDT 3 3.5 270 7 0.3 0.8 350        
ADG5404F 4:1/多工 5 10 0.6 0.3 680 108        
ADG5208F/
ADG5209F 		 8:1/差分
4:1/多工 		3.5 250 6.5 0.3 0.4 190/
290 		       
ADG5248F/
ADG5249F 		8:1/差分
4:1/多工 		3.5 250 6.5 0.3 0.8 190/
320 		       
ADG5462F 通道保護器
×4 		4 10 0.6 0.3 N/A 318        

Author

David Forde

David Forde

David Forde joined Analog Devices as a layout engineer in 2006 after graduating from Carlow Institute of Technology with a B.Sc. in integrated circuit design. In 2011, he graduated from the University of Limerick with a M.Eng. in VLSI systems and, in 2015, he joined the Instrumentation and Precision Technology Group as an applications engineer supporting the analog switch and multiplexer product portfolio.