TI高精度实验室-运算放大器-第十二节-电气过应力

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TI高精度实验室-运算放大器-第十二节-电气过应力

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本次课程开始 我们将讨论电气过应力 Electrical Overstress 在本次课程中 我们将讨论电气过应力的成因 并介绍几种可以提高 电路可靠性的抗电气过应力的方法 课程中所有的例子 都是基于运算放大器的 但是这几种方法 也可以用于其他的器件 在接下来的几个课程中 我们会详细的说明 如何去选择器件参数 以及用来确认电气过应力 是否可靠的测试方法

首先我们先来对比下 ESD 和 EOS 我们在另一个 TIPL1401 的 ESD 的课程中讨论过了 ESD ESD 也就是静电放电 它是一种在两个带相反电荷的 物体之间突发的电荷流动 ESD 是一个短时的事件 通长在纳秒的级别 ESD 的电压会很高 可以高达几千伏 脉冲上升下降沿都非常陡峭 电路在组装前和组装后 均有可能会发生 ESD 损坏 EOS 也就是电气过应力 会在外部加压超过芯片规定的 绝对最大电压值的情况下发生 EOS 是一个长时间的事件 它可能会是毫秒级数秒级 或者是持续的过压 通常 EOS 的电压水平 会比 ESD 的电压低 事实上很可能只是刚好超过 芯片规定的最大绝对耐受电压 例如一个芯片规定绝对最大值电压为 7V 但是当施加十伏的电压作用于芯片上时 将会导致芯片的 EOS 损坏

在这个例子中 放大器的供电为单五伏的供电 请注意 该例中五伏电源 是通过五伏输出的线性稳压器 也就是 LDO 来提供的 该电路的放大器的最大电源电压为五伏 但是放大器的输入端 连接了 15V 的过压这个过压 导致了 D3 的二极管导通 电流流过电源引脚和内部电流吸收电路 这样导致放大器的电源引脚电压升至 14.3V 这是由于线性稳压器不能吸收电流 因此不能再调节其输出电压导致的 在实际上这种情况下 LDO 输出端可以视为开路 这个 14.3V 的电压 超过了放大器的绝对最大值 在这种情况下 放大器内部的吸收电路会导通 以尽量保持电压 在绝对最大值的电压以下 一旦内部吸收电路导通 它会在断电之前一直导通 在这个模式下 内部吸收电路的导通阻抗很低 并且也会从 LDO 抽取大量的电流 这个大的电流会产生大量的热量 从而通常会导致芯片的损坏

现在我们还是采用与之前一样的电路 区别在于现在在电源的引脚上 放置了一颗 TVS 管 放置了一颗 TVS 管 并且在运放输入端串入了一个电阻 来保护放大器免遭 EOS 损坏 在这种情况下 当时 15V 过压施加到运放的输入端时 内部 ESD 的二极管D3正向导通 并将过压引入到电源引脚上的 TVS 管上 这个 TVS 二极管将这个过压电压 钳位到了 7V 避免内部吸收电路的导通 与此同时运放输入端 串入了 1k 欧姆电阻 起到了限流的作用 将电流限制在了十毫安以内 以避免运放损坏 请记住十毫安是这个放大器 规定的绝对最大输入电流

在某些情况下 上电顺序不当 也有可能会导致芯片的损坏 上图这个例子给出的 是一个双电源放大器的上电实例 在这个系统中 先上电 +15 伏 后上电 -15 伏 在某段时间内 +15 伏的电源 已经准备好 而 -15伏 的电源轨处于悬浮状态 因此在正电源轨到负电源轨之间 没有正常的电流泄流回路 所以电流会找到运放内部的 寄生通道来泄流 这很有可能会导致芯片 进入非正常的工作模式 器件可能会消耗过度的电流 并且工作异常 现在我们在运放的正电源轨 和负电源轨均放置一颗 TVS 管 在正常情况下 TVS 管 D6 是反向偏置的 可是在上电过程中 这个 TVS 管会正向导通 以提供从正电源轨 到负电源轨的泄流回路 这就避免了放大器进入到 异常的工作模式中 而一旦负电源轨的供电正常 D6 就开始反偏 运放开始进入正常的工作状态

另一种用来保护器件输入的 非常有用的技术 是放置于内部 ESD 二极管并联的 外部保护二极管 在理想情况下 外部保护二极管的正向导通压降 应该要低于内部 ESD 保护二极管的正向导通压降 以确保大部分的 EOS 电流 流过外部的保护二极管 基于这个原因 通常会选择较低导通压降的 0.3 伏的 肖特基二极管来作为外部保护二极管 不幸的是肖特基二极管 有很大的漏电流 甚至会达到微安的级别 所以并不是各种情况下 都能够选用肖特基二极管的 再要求低漏电流的情况下 就需要选用其它低漏电的 芯片保护二极管 是需要注意的是在这个例子中 因为只有输入端口连接到外部世界 所以只需要保护输入端口 放大器的输出 是连接到 pcb 板子的内部电路的 例如放大器的输入 可能要连接到远处的传感器 而运放的输出 要连接到数据转换器 或者另一个放大器 通常情况下 外部连接相较于系统内晶片的 脚位内部连接更容易遭受 EOS 损坏 例如长的传感器引线 可能会产生大的电荷积累 和释放而导致 EOS 事件 而不恰当的外部接线 和其他地方引入的大的电压 也可能会导致 EOS 的损坏 如果运放的输出接至系统外 同样的肖特基二极管的保护线路 也可以使用在运放的输出端 关于输出端保护的另一个关键点 是输出串联电阻 RP 将会很大程度上 限制放大器的输出电压摆幅 这个限制取决于输出负载的电流 因此更高功率的放大器 需要更低的串联电阻 RP 对于大部分的放大器而言 10 到 20 欧姆的串联电阻 是非常常用的 需要注意的是在这个电路中 RP 在反馈环里面 尽管电阻在 RP 上有压降 通过闭环反馈之后 却仍然可以得到 比较高精度的输出电压 最后需要注意的是 由于 RF 通常远远大于 RP 因此流过反馈电阻 RF 到运放输入端的电流就很小

第二部分：
电气过应力的第二部分 我们将介绍更多 用于电气过应力保护的器件 例如双向瞬态抑制二极管 磁珠和 RC 滤波器 我们也将讨论在电气过应力事件发生时 放大器内部的输入保护 和 ESD 保护结构如何起作用

磁珠或者说铁氧体是很有用的保护元件 用来抵抗射频能量 对于正常工作电路的输入输出的干扰 在直流或者低频的情况下 磁珠的阻抗接近于零 而在高频 磁珠的阻抗随着频率的变化快速的增大 如右下图所示 在图中给出了几种磁珠的特性曲线 但是您可以看到 在频率为 200 兆赫兹的情况下 磁珠的阻抗可以高达 800 欧姆 基于此磁珠对于不适合放置固定电阻 但又要阻挡射频信号的情况下 是非常有用的

输出端保护 采用一个磁珠和双向瞬态抑制二极管 来把电压限制在安全的范围内 因为采用一个固定阻值的电阻 将会造成压降误差 也可能会限制输出电压的摆幅 所以这里采用了磁珠 可是需要注意的是 这个磁珠无法在低频时 提供电气过应力事件的保护

我们在之前 电气过应力章节的第一部分的 课程中讨论过 EOS 的持续时间 可能会长达数毫秒甚至更多 可是 EOS 也可以是短时高压脉冲 在这种情况下 一个简单的 RC 低通滤波器 能帮助减小输入瞬时信号的幅度 这个示例示意了 在运放的输入端口 有一个电气过应力事件 一个截止频率为 1kHz 也即时间常数 为 160us 的 RC 低通滤波器 被放置在了运放的输入端口 对于这个 RC 滤波电路 一个常用的经验法则是 滤波后的电压 在一个时间常数内 达到 63% 的满量程值 而充满需要五个时间常数的时间 从上面的仿真示例可以看到 RC 低通滤波器的效果 输入过应力的脉冲 为一百微秒 25 伏的信号 一百微秒小于 RC 滤波器的时间常数 因此不会到输入脉冲电压值的 63% 仿真结果显示 放大器的输入电压 被限制在了 14V 这个安全的水平 当然这种保护方式是否奏效 取决于该电路的带宽 以及输入过应力电压的 脉冲时长以及幅值

除了输入和输出引脚的保护 另一个容易受电气过应力损坏的 是电源引脚 瞬态抑制二极管 也可以用来抑制电源上的 电气过应力能量 类似于图中所示的 π 型滤波器 也能够减少电源上的毛刺

超过放大器所允许的 最大输入差分电压 也会造成放大器的过应力损坏 有些放大器允许差分输入电压 等于电源电压 而另一方面有一些放大器 只允许相对较小的差分输入电压 例如 0.7 伏 这个小的差分输入电压 在双极性放大器中非常常见 这种放大器的输入差分对管 比较容易发生基极 发射极击穿 这会造成放大器的损坏 正因为如此 一般会用一对二极管 连接到差分输入端 来将差分电压限制在安全水平 如果差分电压大于二级管的压降 二极管将会导通 将电压限制在安全范围内 尽管二极管可以保护放大器的输入端 如果流过二极管的电流超过其极限值 二极管也有可能会被损坏 记住 大部分放大器的 绝对最大输入电流是十毫安 所以要确保留过这些二极管的电流 小于十毫安

我们来看下一个大的差分电压 加在放大器上的例子 对如图所示的电压跟随器施加一个方波 会导致该放大器的压摆率受限 这个话题 我们已经在之前的课程中讨论过了 当放大器的压摆率受限时 放大器的差分输入端 可能会有很大的输入差分电压 例如当输入端施加 +5V~-5V 信号时 输出不可能立即跟着变化 因此在转换瞬间 输入差分电压 可能会达到满量程的十伏 不过背靠背的二极管 将该电压限制在了 0.7 伏 如果没有采取某些限流措施 这个瞬间会有大的电流流过 出于保护 在压摆率受限的情况下 输入端口采用串联电阻 RP 来将电流限制在小于十毫安 右边的瞬态仿真图示意了 该限流电阻 如何将输入电流限制在小于十毫安 也示意了背靠背二极管 将差分输入电压限制在小于一伏

在之前的课程中 我们描述了最常用的 ESD 保护结构 可是在有些情况下 由于工艺限制或者是器件性能需要 迫使采用不同的保护结构 在这里我们示意了 OPA364 放大器内部的 ESD 防护器件 OPA364 的输入端 有我们熟悉的 ESD 二极管 但是它还有 SCR 器件 SCR 即硅控整流器 是一种一旦某个最高电压 加在它上面时就会锁住的二极管 它很像我们在 ESD 课程中 讨论的吸收器件 在这种情况下 当输入电压超过 15V 时 SCR 器件将会导通 需要注意的是 这个放大器的最大供电电压是 5.5V 因此永远不要在输入端 施加 15V 的电压 然而如果输入的电压超过了 15V 硅控整流器将会导通 并允许大电流的流过 而该硅控整流器 直到断电后才会被关闭 之所以使用硅控整流器 是因为其导通的速度 远快于 ESD 的防护器件 可以缓解 ESD 的瞬时干扰 因此硅控整流器对于 在器件不上电时的 ESD 防护非常有帮助 但是在其导通时 并经受电气过应力事件时可能会有问题 在输出端也包含一个硅控整流器 和带有限流电阻的 ESD 保护二极管 电阻是用来防止 ESD 二极管 在某些应用中由于电感的反冲而损坏 最后吸收器件也就是 Ts 其设计可以实现大概十毫秒的快速导通 需要留意的是 在电源连接极性相反的情况下 吸收器件中的二极管 DS 将会导通并泄流掉大量的电流 但是可能会导致损坏

第三部分：

首先 我们先来考虑放大器的指标 数据手册所规定的电源电压范围 是指放大器在规定的 电源电压范围内工作时 能够满足数据手册里面的性能指标 在这个例子中 OPA192 这颗放大器的 电源电压范围为±2.25V 到±18V 如果 OPA192 采用±18V 电源电压供电 那么所选择的的瞬态抑制二极管 需要在此电压下 需要在此电压下 保持截止和低的漏电流 记住 瞬态抑制二极管的反向截止电压 也即 VR 是能加在瞬态抑制二极管上的 最大的反向电压 而且此时最大漏电流指标 仍然应该能够满足 这个例子中 所选择的二极管 是为了匹配放大器的最大工作电压 二极管的最大反向截止电压为 18V此时对应的最大反向漏电流为 5uA 这意味着如果加在该二极管上的 反向电压小于或等于 18V 那么漏电流不会超过 5uA 在通常情况下 反向截止电压是依据电路的 最大允许工作电压来选择 因此 如果放大器工作在更低的电源电压下 二极管的反向截止电压的选取 也要做相应改变 请注意放大器规定的工作电源电压范围 和绝对最大电源电压范围的区别 规定的工作电源电压范围 是器件能够正常工作 且数据手册上的性能指标是有效的 而绝对最大电源电压是指 施加在器件上保证芯片不会损坏的 最大电源电压 这个例子中 我们讨论的 是规定的±18V 的工作电源电压 该器件的绝对最大电压为±20V

不同额定功率的瞬态抑制二极管 额定功率越大 曲线斜率越大 这样故障电压也就更接近反向截止电压 注意额定功率指的是 1ms 脉冲时间内峰值功率消耗 在这个例子中 我们对比了额定功率为 1500W 和额定功率为 400W 的瞬态抑制二极管 从右边的曲线图中可以看出 对于 2A 的故障电流 额定功率为 400W 的器件对应的 故障电压为 19.2V 而功率等级为 1500W 的器件 对应的故障电压为 18.6V 这个值减小 对于选取瞬态二极管非常有帮助 可是对于大额定功率的瞬态抑制二极管 也有一个缺点 相比大多数的放大器封装 它们的封装会很大

第四部分：
国际电工委员会是一个 为了解决用电安全 和电工产品标准化问题的世界组织机构 该委员会开发了一套瞬时信号 和电磁辐射免疫测试的标准 这个标准 是想加入欧盟 或者世界贸易组织的生产厂商 它的产品必须满足的测试标准 其中 应用在许多电子电路测试标准中 最为熟知的为 IEC-61000-4 标准 总之 一个电路在这些测试标准下的表现行为 称之为电磁兼容 而测试这些标准的流程 称之为电磁兼容测试 在本次的课程中 我们将重点关注瞬时能量测试 特别是 静电放电测试 电快速瞬变脉冲群和浪涌

现在有多种电磁兼容测试方法 产品如果要实现官方的 IEC 认证 需要通过 第三方的测试 另一种不是很严格的测试 叫做工程验证 这种一般是电路设计者 自己做的测试 测试一般都是在一个公认的 测试中心进行完成的 这个测试中心有标准化的 能够产生各种瞬时信号的测试设备 需要注意很重要的一点 是电路设计者是可以定义测试通过 或者失败的限制条件的 测试结果可能会是 下面四个级别中的一种： 级别 A EMC 测试中 电路性能指标 维持在规定的指标极限范围内 级别 B EMC 测试中 电路性能指标暂时超出指标极限范围 但是测试结束后可以恢复 级别 C EMC 测试中 电路性能指标超出指标的极限范围 测试结束后需要外加介入 如重新上电或者重写寄存器才能恢复 级别 D EMC 测试中 由于硬件损坏或者数据丢失 电路性能或者功能永久丧失

静电放电也就是 ESD 是在电子系统中 常见的一种瞬时信号形式 ESD 是由于接触和分离 两个绝缘材料造成电荷积累引起的 当充了电的物体靠近另一个 低电势的物体时 能量以静电放电的形式释放出来 静电放电的标准是 IEC61000-4-2 这个标准给出了 静电放电电流波形参数 以及静电放电的时间间隔 或者测试脉冲 当然这个标准也提供了最大充电电压 单位为 kV 根据环境湿度 材料类型和所期望的处理量 定义了 4 种威胁等级 等级 1 是最宽松的 而等级 4是最严苛的 在这套测试中 瞬时能量可以以多种形式 释放到待测电路中 在空气放电中 距离被测器件 1cm 的地方 静电放电 10 次 在接触放电中 静电发生器的尖端放在被测器件上 然后静电放电 10 次 在间接放电到垂直耦合面 也即 VCP 中 被测器件被放在离垂直方向的 金属面 10cm 的地方 对金属面静电放电 10 次 在间接放电到水平耦合面也即 HCP 中 被测器件被放在绝缘垫上 绝缘垫放在一个带有金属屏幕的桌上 对金属面静电放电 10 次