TI高精度實驗室-運算放大器-第十二節-電氣過應力

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TI高精度實驗室-運算放大器-第十二節-電氣過應力

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本次課程開始 我們將討論電氣過應力 Electrical Overstress 在本次課程中 我們將討論電氣過應力的成因 並介紹幾種可以提高 電路可靠性的抗電氣過應力的方法 課程中所有的例子 都是基於運算放大器的 但是這幾種方法 也可以用於其他的器件 在接下來的幾個課程中 我們會詳細的說明 如何去選擇器件參數 以及用來確認電氣過應力 是否可靠的測試方法

首先我們先來對比下 ESD 和 EOS 我們在另一個 TIPL1401 的 ESD 的課程中討論過了 ESD ESD 也就是靜電放電 它是一種在兩個帶相反電荷的 物體之間突發的電荷流動 ESD 是一個短時的事件 通長在納秒的級別 ESD 的電壓會很高 可以高達幾千伏 脈衝上升下降沿都非常陡峭 電路在組裝前和組裝後 均有可能會發生 ESD 損壞 EOS 也就是電氣過應力 會在外部加壓超過芯片規定的 絕對最大電壓值的情況下發生 EOS 是一個長時間的事件 它可能會是毫秒級數秒級 或者是持續的過壓 通常 EOS 的電壓水平 會比 ESD 的電壓低 事實上很可能只是剛好超過 芯片規定的最大絕對耐受電壓 例如一個芯片規定絕對最大值電壓爲 7V 但是當施加十伏的電壓作用於芯片上時 將會導致芯片的 EOS 損壞

在這個例子中 放大器的供電爲單五伏的供電 請注意 該例中五伏電源 是通過五伏輸出的線性穩壓器 也就是 LDO 來提供的 該電路的放大器的最大電源電壓爲五伏 但是放大器的輸入端 連接了 15V 的過壓這個過壓 導致了 D3 的二極管導通 電流流過電源引腳和內部電流吸收電路 這樣導致放大器的電源引腳電壓升至 14.3V 這是由於線性穩壓器不能吸收電流 因此不能再調節其輸出電壓導致的 在實際上這種情況下 LDO 輸出端可以視爲開路 這個 14.3V 的電壓 超過了放大器的絕對最大值 在這種情況下 放大器內部的吸收電路會導通 以儘量保持電壓 在絕對最大值的電壓以下 一旦內部吸收電路導通 它會在斷電之前一直導通 在這個模式下 內部吸收電路的導通阻抗很低 並且也會從 LDO 抽取大量的電流 這個大的電流會產生大量的熱量 從而通常會導致芯片的損壞

現在我們還是採用與之前一樣的電路 區別在於現在在電源的引腳上 放置了一顆 TVS 管 放置了一顆 TVS 管 並且在運放輸入端串入了一個電阻 來保護放大器免遭 EOS 損壞 在這種情況下 當時 15V 過壓施加到運放的輸入端時 內部 ESD 的二極管D3正向導通 並將過壓引入到電源引腳上的 TVS 管上 這個 TVS 二極管將這個過壓電壓 鉗位到了 7V 避免內部吸收電路的導通 與此同時運放輸入端 串入了 1k 歐姆電阻 起到了限流的作用 將電流限制在了十毫安以內 以避免運放損壞 請記住十毫安是這個放大器 規定的絕對最大輸入電流

在某些情況下 上電順序不當 也有可能會導致芯片的損壞 上圖這個例子給出的 是一個雙電源放大器的上電實例 在這個系統中 先上電 +15 伏 後上電 -15 伏 在某段時間內 +15 伏的電源 已經準備好 而 -15伏 的電源軌處於懸浮狀態 因此在正電源軌到負電源軌之間 沒有正常的電流泄流回路 所以電流會找到運放內部的 寄生通道來泄流 這很有可能會導致芯片 進入非正常的工作模式 器件可能會消耗過度的電流 並且工作異常 現在我們在運放的正電源軌 和負電源軌均放置一顆 TVS 管 在正常情況下 TVS 管 D6 是反向偏置的 可是在上電過程中 這個 TVS 管會正向導通 以提供從正電源軌 到負電源軌的泄流回路 這就避免了放大器進入到 異常的工作模式中 而一旦負電源軌的供電正常 D6 就開始反偏 運放開始進入正常的工作狀態

另一種用來保護器件輸入的 非常有用的技術 是放置於內部 ESD 二極管並聯的 外部保護二極管 在理想情況下 外部保護二極管的正向導通壓降 應該要低於內部 ESD 保護二極管的正向導通壓降 以確保大部分的 EOS 電流 流過外部的保護二極管 基於這個原因 通常會選擇較低導通壓降的 0.3 伏的 肖特基二極管來作爲外部保護二極管 不幸的是肖特基二極管 有很大的漏電流 甚至會達到微安的級別 所以並不是各種情況下 都能夠選用肖特基二極管的 再要求低漏電流的情況下 就需要選用其它低漏電的 芯片保護二極管 是需要注意的是在這個例子中 因爲只有輸入端口連接到外部世界 所以只需要保護輸入端口 放大器的輸出 是連接到 pcb 板子的內部電路的 例如放大器的輸入 可能要連接到遠處的傳感器 而運放的輸出 要連接到數據轉換器 或者另一個放大器 通常情況下 外部連接相較於系統內晶片的 腳位內部連接更容易遭受 EOS 損壞 例如長的傳感器引線 可能會產生大的電荷積累 和釋放而導致 EOS 事件 而不恰當的外部接線 和其他地方引入的大的電壓 也可能會導致 EOS 的損壞 如果運放的輸出接至系統外 同樣的肖特基二極管的保護線路 也可以使用在運放的輸出端 關於輸出端保護的另一個關鍵點 是輸出串聯電阻 RP 將會很大程度上 限制放大器的輸出電壓擺幅 這個限制取決於輸出負載的電流 因此更高功率的放大器 需要更低的串聯電阻 RP 對於大部分的放大器而言 10 到 20 歐姆的串聯電阻 是非常常用的 需要注意的是在這個電路中 RP 在反饋環裏面 儘管電阻在 RP 上有壓降 通過閉環反饋之後 卻仍然可以得到 比較高精度的輸出電壓 最後需要注意的是 由於 RF 通常遠遠大於 RP 因此流過反饋電阻 RF 到運放輸入端的電流就很小

第二部分：
電氣過應力的第二部分 我們將介紹更多 用於電氣過應力保護的器件 例如雙向瞬態抑制二極管 磁珠和 RC 濾波器 我們也將討論在電氣過應力事件發生時 放大器內部的輸入保護 和 ESD 保護結構如何起作用

磁珠或者說鐵氧體是很有用的保護元件 用來抵抗射頻能量 對於正常工作電路的輸入輸出的干擾 在直流或者低頻的情況下 磁珠的阻抗接近於零 而在高頻 磁珠的阻抗隨着頻率的變化快速的增大 如右下圖所示 在圖中給出了幾種磁珠的特性曲線 但是您可以看到 在頻率爲 200 兆赫茲的情況下 磁珠的阻抗可以高達 800 歐姆 基於此磁珠對於不適合放置固定電阻 但又要阻擋射頻信號的情況下 是非常有用的

輸出端保護 採用一個磁珠和雙向瞬態抑制二極管 來把電壓限制在安全的範圍內 因爲採用一個固定阻值的電阻 將會造成壓降誤差 也可能會限制輸出電壓的擺幅 所以這裏採用了磁珠 可是需要注意的是 這個磁珠無法在低頻時 提供電氣過應力事件的保護

我們在之前 電氣過應力章節的第一部分的 課程中討論過 EOS 的持續時間 可能會長達數毫秒甚至更多 可是 EOS 也可以是短時高壓脈衝 在這種情況下 一個簡單的 RC 低通濾波器 能幫助減小輸入瞬時信號的幅度 這個示例示意了 在運放的輸入端口 有一個電氣過應力事件 一個截止頻率爲 1kHz 也即時間常數 爲 160us 的 RC 低通濾波器 被放置在了運放的輸入端口 對於這個 RC 濾波電路 一個常用的經驗法則是 濾波後的電壓 在一個時間常數內 達到 63% 的滿量程值 而充滿需要五個時間常數的時間 從上面的仿真示例可以看到 RC 低通濾波器的效果 輸入過應力的脈衝 爲一百微秒 25 伏的信號 一百微秒小於 RC 濾波器的時間常數 因此不會到輸入脈衝電壓值的 63% 仿真結果顯示 放大器的輸入電壓 被限制在了 14V 這個安全的水平 當然這種保護方式是否奏效 取決於該電路的帶寬 以及輸入過應力電壓的 脈衝時長以及幅值

除了輸入和輸出引腳的保護 另一個容易受電氣過應力損壞的 是電源引腳 瞬態抑制二極管 也可以用來抑制電源上的 電氣過應力能量 類似於圖中所示的 π 型濾波器 也能夠減少電源上的毛刺

超過放大器所允許的 最大輸入差分電壓 也會造成放大器的過應力損壞 有些放大器允許差分輸入電壓 等於電源電壓 而另一方面有一些放大器 只允許相對較小的差分輸入電壓 例如 0.7 伏 這個小的差分輸入電壓 在雙極性放大器中非常常見 這種放大器的輸入差分對管 比較容易發生基極 發射極擊穿 這會造成放大器的損壞 正因爲如此 一般會用一對二極管 連接到差分輸入端 來將差分電壓限制在安全水平 如果差分電壓大於二級管的壓降 二極管將會導通 將電壓限制在安全範圍內 儘管二極管可以保護放大器的輸入端 如果流過二極管的電流超過其極限值 二極管也有可能會被損壞 記住 大部分放大器的 絕對最大輸入電流是十毫安 所以要確保留過這些二極管的電流 小於十毫安

我們來看下一個大的差分電壓 加在放大器上的例子 對如圖所示的電壓跟隨器施加一個方波 會導致該放大器的壓擺率受限 這個話題 我們已經在之前的課程中討論過了 當放大器的壓擺率受限時 放大器的差分輸入端 可能會有很大的輸入差分電壓 例如當輸入端施加 +5V~-5V 信號時 輸出不可能立即跟着變化 因此在轉換瞬間 輸入差分電壓 可能會達到滿量程的十伏 不過背靠背的二極管 將該電壓限制在了 0.7 伏 如果沒有采取某些限流措施 這個瞬間會有大的電流流過 出於保護 在壓擺率受限的情況下 輸入端口採用串聯電阻 RP 來將電流限制在小於十毫安 右邊的瞬態仿真圖示意了 該限流電阻 如何將輸入電流限制在小於十毫安 也示意了背靠背二極管 將差分輸入電壓限制在小於一伏

在之前的課程中 我們描述了最常用的 ESD 保護結構 可是在有些情況下 由於工藝限制或者是器件性能需要 迫使採用不同的保護結構 在這裏我們示意了 OPA364 放大器內部的 ESD 防護器件 OPA364 的輸入端 有我們熟悉的 ESD 二極管 但是它還有 SCR 器件 SCR 即硅控整流器 是一種一旦某個最高電壓 加在它上面時就會鎖住的二極管 它很像我們在 ESD 課程中 討論的吸收器件 在這種情況下 當輸入電壓超過 15V 時 SCR 器件將會導通 需要注意的是 這個放大器的最大供電電壓是 5.5V 因此永遠不要在輸入端 施加 15V 的電壓 然而如果輸入的電壓超過了 15V 硅控整流器將會導通 並允許大電流的流過 而該硅控整流器 直到斷電後纔會被關閉 之所以使用硅控整流器 是因爲其導通的速度 遠快於 ESD 的防護器件 可以緩解 ESD 的瞬時干擾 因此硅控整流器對於 在器件不上電時的 ESD 防護非常有幫助 但是在其導通時 並經受電氣過應力事件時可能會有問題 在輸出端也包含一個硅控整流器 和帶有限流電阻的 ESD 保護二極管 電阻是用來防止 ESD 二極管 在某些應用中由於電感的反衝而損壞 最後吸收器件也就是 Ts 其設計可以實現大概十毫秒的快速導通 需要留意的是 在電源連接極性相反的情況下 吸收器件中的二極管 DS 將會導通並泄流掉大量的電流 但是可能會導致損壞

第三部分：

首先 我們先來考慮放大器的指標 數據手冊所規定的電源電壓範圍 是指放大器在規定的 電源電壓範圍內工作時 能夠滿足數據手冊裏面的性能指標 在這個例子中 OPA192 這顆放大器的 電源電壓範圍爲±2.25V 到±18V 如果 OPA192 採用±18V 電源電壓供電 那麼所選擇的的瞬態抑制二極管 需要在此電壓下 需要在此電壓下 保持截止和低的漏電流 記住 瞬態抑制二極管的反向截止電壓 也即 VR 是能加在瞬態抑制二極管上的 最大的反向電壓 而且此時最大漏電流指標 仍然應該能夠滿足 這個例子中 所選擇的二極管 是爲了匹配放大器的最大工作電壓 二極管的最大反向截止電壓爲 18V此時對應的最大反向漏電流爲 5uA 這意味着如果加在該二極管上的 反向電壓小於或等於 18V 那麼漏電流不會超過 5uA 在通常情況下 反向截止電壓是依據電路的 最大允許工作電壓來選擇 因此 如果放大器工作在更低的電源電壓下 二極管的反向截止電壓的選取 也要做相應改變 請注意放大器規定的工作電源電壓範圍 和絕對最大電源電壓範圍的區別 規定的工作電源電壓範圍 是器件能夠正常工作 且數據手冊上的性能指標是有效的 而絕對最大電源電壓是指 施加在器件上保證芯片不會損壞的 最大電源電壓 這個例子中 我們討論的 是規定的±18V 的工作電源電壓 該器件的絕對最大電壓爲±20V

不同額定功率的瞬態抑制二極管 額定功率越大 曲線斜率越大 這樣故障電壓也就更接近反向截止電壓 注意額定功率指的是 1ms 脈衝時間內峯值功率消耗 在這個例子中 我們對比了額定功率爲 1500W 和額定功率爲 400W 的瞬態抑制二極管 從右邊的曲線圖中可以看出 對於 2A 的故障電流 額定功率爲 400W 的器件對應的 故障電壓爲 19.2V 而功率等級爲 1500W 的器件 對應的故障電壓爲 18.6V 這個值減小 對於選取瞬態二極管非常有幫助 可是對於大額定功率的瞬態抑制二極管 也有一個缺點 相比大多數的放大器封裝 它們的封裝會很大

第四部分：
國際電工委員會是一個 爲了解決用電安全 和電工產品標準化問題的世界組織機構 該委員會開發了一套瞬時信號 和電磁輻射免疫測試的標準 這個標準 是想加入歐盟 或者世界貿易組織的生產廠商 它的產品必須滿足的測試標準 其中 應用在許多電子電路測試標準中 最爲熟知的爲 IEC-61000-4 標準 總之 一個電路在這些測試標準下的表現行爲 稱之爲電磁兼容 而測試這些標準的流程 稱之爲電磁兼容測試 在本次的課程中 我們將重點關注瞬時能量測試 特別是 靜電放電測試 電快速瞬變脈衝羣和浪湧

現在有多種電磁兼容測試方法 產品如果要實現官方的 IEC 認證 需要通過 第三方的測試 另一種不是很嚴格的測試 叫做工程驗證 這種一般是電路設計者 自己做的測試 測試一般都是在一個公認的 測試中心進行完成的 這個測試中心有標準化的 能夠產生各種瞬時信號的測試設備 需要注意很重要的一點 是電路設計者是可以定義測試通過 或者失敗的限制條件的 測試結果可能會是 下面四個級別中的一種： 級別 A EMC 測試中 電路性能指標 維持在規定的指標極限範圍內 級別 B EMC 測試中 電路性能指標暫時超出指標極限範圍 但是測試結束後可以恢復 級別 C EMC 測試中 電路性能指標超出指標的極限範圍 測試結束後需要外加介入 如重新上電或者重寫寄存器才能恢復 級別 D EMC 測試中 由於硬件損壞或者數據丟失 電路性能或者功能永久喪失

靜電放電也就是 ESD 是在電子系統中 常見的一種瞬時信號形式 ESD 是由於接觸和分離 兩個絕緣材料造成電荷積累引起的 當充了電的物體靠近另一個 低電勢的物體時 能量以靜電放電的形式釋放出來 靜電放電的標準是 IEC61000-4-2 這個標準給出了 靜電放電電流波形參數 以及靜電放電的時間間隔 或者測試脈衝 當然這個標準也提供了最大充電電壓 單位爲 kV 根據環境溼度 材料類型和所期望的處理量 定義了 4 種威脅等級 等級 1 是最寬鬆的 而等級 4是最嚴苛的 在這套測試中 瞬時能量可以以多種形式 釋放到待測電路中 在空氣放電中 距離被測器件 1cm 的地方 靜電放電 10 次 在接觸放電中 靜電發生器的尖端放在被測器件上 然後靜電放電 10 次 在間接放電到垂直耦合面 也即 VCP 中 被測器件被放在離垂直方向的 金屬面 10cm 的地方 對金屬面靜電放電 10 次 在間接放電到水平耦合面也即 HCP 中 被測器件被放在絕緣墊上 絕緣墊放在一個帶有金屬屏幕的桌上 對金屬面靜電放電 10 次