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1、电路保护方法电路保护方法乎所有电子 OEM 领域的功能密度正在日益增长，使宝贵的硅片更易于受到真实世界的损害。采取花钱较少的简单措施，就可以保护您的产品和您公司的声望，还能在极端情况下保护您的客户。要点产品的声誉依赖于产品的牢靠性。在确定一个瞬变保护电路之前，要比较你的电路对漏电流和并联电容的容限。要将候选保护器件的速度与你打算预防的瞬变的合理模型进行比较。要提防在没有瞬变源模型和测试方法的情况下就规定瞬变耐受电平的 IC 制造商。单单瞬变耐受电平是不能说明什么问题的。由于电子行业向作为优势设计工具的小尺寸 CMOS 工艺的演进，业已提高了信号处理与计算性能、能量效率、经济性以及紧凑性，但在面
2、临不可避免的常见电气瞬变危害时同时又使 IC 固有的牢靠性下降。概括说来，瞬变源可分为闪电、开关、EMP（电磁脉冲）和 ESD（静电放电）四种。在这四种瞬变源中，EMP 很少见，主要由核事件产生。但是，与 EMP 一样，几乎所有电瞬变源都是由存储的能量突然释放产生的。闪电和 ESD 是由静电荷突然释放产生的，而开关瞬变通常是由于存在显式电抗或寄生电抗时电流或电压发生突变，导致静电场或电磁场剧变而产生的。某一类中的瞬变源往往表现出相同的时域特性。例如，开关瞬变具有周期性的特点，其幅度与重复频率会因某一装置的细节不同而各异。闪电与 ESD 脉冲则是非周期性的，其发生地点超出了大的地理趋势，是不可预
3、测的（图 1） 。 （TechFlick：图 1 的动画版，显示全球每平方公里每年的闪电数。图形与视频均由 NASA 国际空间科学与技术中心闪电组提供。 ）闪电与 ESD 脉冲也是难以测量的，其幅度变化范围很大。各工业部门都开发并推广了各种瞬变源的标准与试验方法。这些标准尽管在一些重要方面（例如电荷存储与源阻抗）可能各有不同，但在瞬变对在其它情况下不会令人怀疑的电路的危害是如何出现的原理上却是一致的（表 1） 。这种表格式的数据反映的情况是不全面的：瞬变波形不是方波，但上升时间呈快速指数型，下降时间则是缓慢的指数型，在峰值波幅处几乎没有停留时间。对于任何易受瞬变影响的给定节点来说，其保护方法必
4、须同时满足几个要求。这种保护方法必须能将被保护节点箝位在安全电位上。因此，一个合适的保护器件因其保护的电路类型不同而有所不同。保护器件对于瞬变上升沿的响应必须足够快，以保持节点电压低于损坏阈值。低电感并联器件和低电容串联组件都有助于满足这一要求，但条件是印制电路板的设计要采用良好的高速布线技术来实现保护网络。最后，这种保护方法要么必须能吸收瞬变产生的能量，要么必须使该能量在瞬变源阻抗上耗散掉。由于这一原因，OEM 设计师不能总是依赖于半导体的片上保护单元，而常常必须增加电路板级的保护组件。因此，对某一给定的瞬变类型来说，确定其保护方法的第一步就是计算电路必须吸收的总脉冲能量。另外还要考虑可能的
5、重复频率与升温时间常数，以保证箝位组件在关键时刻不过热。最经常受影响的节点是一个系统中暴露在外的端口，其中包括电源入口和信号 I/O 。这些节点可能还包括接近绝缘表面的一些内部节点，键盘和显示器中的情况就是这样。瞬变未必产生于某根特定的引脚，从而损坏其相关电路与某个子系统连接的引脚上产生的瞬变脉冲可通过电容耦合到连接其它子系统的引脚上，然后发生击穿，或在击穿之后的电流突变期间，通过电感耦合到连接其它子系统的引脚上。在这样的情况下，只保护最初的受害电路是不够的。例如，如果某个设备将信号引脚与电源输入线捆绑在一起，比如说由电动机引起的电源瞬变就会耦合到信号节点，但信号幅度有所降低。高速电路的保护之
6、所以具有挑战性，是因为高速电路对箝位电路另外加到被保护节点的并联电容负载很敏感。这就是光纤馈线在高速通信中，甚至对于短距离链路（如机架到机架的链路）具有吸引力的几个原因之一（参考文献 1 和 2） 。工业和医疗信号调节系统中常见的隔离前端可阻挡很大的共模电压，而却让信号的差模分量通过。共模分量出现在隔离层上，隔离层的击穿电压有限，通常为 500V 2kV 。超出隔离层击穿电压的瞬变信号（如 ESD 脉冲）将通过隔离层的设计所确定的一条路径向系统一方的接地放电（图 2） 。这种路径的可预测性大小不一，取决于隔离层的类型：光隔离层、电容隔离层或磁隔离层。以毒攻毒用峰值电压和峰值电流表示的闪电脉冲是
7、你需要预防的最大瞬变源。即使在距离闪电地点很远的地方，闪电引起的浪涌也具有相当高的能量，很少有保护器件能幸免于难，远不足以保护它们所连接的节点。表 2 进一步表明表 1 中闪电特性的击穿情况。最可能遭受闪电的节点连接到电源输入端，或者连接到很长的室外信号馈线，如POTS（普通老式电话系统） 、DSL 或有线电视系统中的信号馈线。尽管 POTS 馈线的带宽适中，但 DSL 是安装在 POTS 基础结构上的，所以保护器件的并联电容必须最小，有线电视的情况也是一样。GDT（气体放电管） ，也称等离子体避雷器，是这种大型分布式系统的第一道防线。在正常的工作条件下，一只 GDT 的并联阻抗约为 1 T
8、，并联电容为 1 pF 以下。当施加在 GDT 两端的电势低于气体电离电压（即“辉光”电压）时，GDT 的小漏电流（典型值小于 1 pA）和小电容几乎不发生变化。一旦 GDT 达到辉光电压，其并联阻抗将急剧下降，从而电流流过气体。不断增加的电流使大量气体形成等离子体，等离子体又使该器件上的电压进一步降低至 15V 左右。当瞬变源不再继续提供等离子电流时，等离子体就自动消失。GDT 的净效果是一种消弧作用，它能在 1ms 内将瞬变事件期间的电压限制在大约 15V 以下。GDT 的一个主要优点是迫使大部分能量消耗在瞬变的源阻抗中，而不是消耗在保护器件或被保护的电路中。GDT 的触发电压由信号电压的
9、上升速率（dV/dt） 、GDT 的电极间隔、气体类型以及气体压力共同确定该器件可以承受高达 20 kA 的电流。GDT 有单极和三极两种形式（图 3） 。三极 GDT 是一个看似简单的器件，能在大难临头的关键时刻保持一个差分线对的平衡：少许的不对称可以使瞬变脉冲优先耦合到平衡馈线的某一侧，因而产生一个巨大的差分信号。即使瞬变事件对称地发生在平衡馈线上，两个保护器件响应特性的微小差别也会使一个破坏性的脉冲振幅出现在系统的输入端上。三极 GDT 在一个具有共享气体容积的管内提供一个差分器件和两个并联器件。造成一对电极导通的任何条件都会使所有三个电极之间导通，因为气体的状态（绝缘状态、电离状态或等
10、离子状态）决定了放电管的行为。加上 MOVMOV（金属氧化物变阻器）是随电压而变化的非线性电阻器。烧结的金属氧化物形成一种犹如两个背对背串接的齐纳二极管的结构。在正常工作情况下，MOV 的典型漏电流为10 mA 量级，并联电容约为 45 pF。电压升高到超过 MOV 阈值，就会使其中一个分布式齐纳二极管产生雪崩，因而使该器件对被保护的节点进行箝位。不断增加的电流最终使器件两端的电压上升这是大多数批量材料都有的一个限制因素。作为一种箝位器件，MOV 能大量吸引瞬变能量，而气体放电管则将瞬变能量耗散在瞬变源阻抗以及瞬变源与被保护节点之间的电阻中。在容许 MOV 的漏电和并联电容的应用场合（如电源、
11、POTS 和工业传感器） ，MOV 可配合 GDT ，对闪电引起的瞬变进行良好的二次防护，因为 MOV 的触发速度要比气体等离子体避雷器快一个数量级。反复出现的过热应力的累积会使 MOV 过热，降低其性能。因此，务必仔细分析你打算支持的瞬变规范，确定你要求 MOV 吸收的总能量和最坏情况下的瞬变重复率，保守地制定器件的规格。手指放电 对 OEM 电子产品来说，最常见的瞬变危害是 ESD。在设计防止 ESD 损坏的保护电路时，必须解决三方面的问题：首先，有许许多多标准可供使用，这意味着存在多个瞬变源模型。你必须在设计周期内及早确定与你应用系统最相关的是哪种瞬变源模型和测试方法。如果 IC 供应商
12、用其它瞬变源模型制定其器件规格，你就必须用你选定的瞬变源模型和测试方法来评估这些器件工作的可靠性。如果面对 ESD 的可靠性对于你的顾客很重要，你就可能要对 I/O 端口子系统与人机接口部件的工作原型进行测试。其次，在不显着影响信号质量的情况下，现代高速 I/O 端口容许的交流负载很小，因此，保护器件额外增加的并联电容必须很小。要结合 I/O 端的所需带宽考虑正常工作条件下的信号源阻抗，从而评估你应用系统对于 I/O 端口外加并联电容的敏感性。最后，实现高速 I/O 的硅工艺，其损坏阈值很小，因此，要确保你的保护方法是有足够快的箝位速度，并将被保护节点固定在一个足够低的电压上。实际上，所有 I
13、C 都有 ESD 保护单元，这对你的设计有很大帮助。但是，并不是所有供应商都赞同同一种瞬变源模型和测试方法，因此，在将一块候选 IC 设计到应用系统中之前，要弄清楚该 IC 的可靠性。你可能还要限制承包制造商代换连接到敏感节点的 IC 的自由度，除非 IC 选择标准已经考虑了牢固性和可靠性。根据不同的电荷来源，ESD 源模型分为三类，即 HBM（人体模型） 、CDM（电荷器件模型）和 MM（机器模型） 。CDM 和 MM 描述制造环境中会产生的 ESD 危害，或者因电荷汇集在产品成为绝缘表面上，尤其是摩擦能使电子转移而造成危害。HBM 描述产品制造后所面临的危害。也就是说，这三类几乎并不互相排
14、斥，所以您可能要考虑你的产品将那些部位暴露在与三种模型之一对应的瞬变源和情景之下。例如，MM 也可描述人体电荷源通过中间导体放电的事件，技工使用小型手持工具而没有先将积累的静电荷通过附近的接地端子释放时的情况就是这样。在描述 HBM 源的各个标准中，IC 行业最常使用的是 IEC-64000 标准，它包括空气放电和直接接触测试方法。 HBM 模型规定一个 330 的源电阻而有一个 150pF 电荷储存器（图 4） 。大多数 ESD 模型包括一个高阻电荷路径，这样充电电路不会影响测试，反之亦然。相形之下，军用标准 883 则使用一个 100pF 电容和一个 1.5k 源电阻，这就将总能量和峰值电
15、流限制在 IEC-64000 允许的幅度的部分范围内。这两个源模型证明，如果只给出一个测试电压，则 ESD 规范就提供不了什么信息。制造商必须确认源模型与测试方法，能为你提供一个评估 ESD 规格的背景。其它常见 ESD 标准包括适用于 MM 的 EIAJ IC121 和适用于 CDM 的 US ESD DS 5.3（参考文献 4） 。正如 Semtech 公司 的应用工程经理 Bill Russell 指出的，尽管空气放电测试方法比较熟悉，但“直接接触方法有更好的可重复性，可以建立最苛刻测试条件的模型，并代表真实的放电情况。在我们的（OEM）客户中，在设计时只采用直接接触测试方法而不关心空气
16、放电方法的客户要比使用空气放电法的多。直接接触方法也能测试高密度组件上的特定节点，而空气放电方法则是不太好控制的。IEC 61000-4-2 Level 4 需要 8 kV 的接触放电，但现在大多数厂家并未就此止步不前：他们正在试验的接触放电达到 10kV 或 12kV，特别是在便携式电子产品中。 ”尽管 ESD 电压可能很高，但总能量不太大。例如，采用 IEC 61000-4-2 HBM 模型时，一个 10 kV 脉冲只给出 7.5 mJ 能量，并随电压的平方而变化。TVS（瞬变电压抑制器）都是雪崩二极管。一个 TVS 的并联电容历来只有几十皮法，但有些新的 TVS 的并联电容增加了不到 10 pF。电压最低的 TVS，其漏电流往往为 100mA 以上，而工作电压为 12V 以上的 TVS，其漏电流则为 5mA 以下。当前 TVS 的发展趋势是提高集成度，支持高密度便携设备。在芯片尺寸封装中包含多个器件，使节点间隙更好地匹配被保护的 IC 或接口连接器。集成的 TVS 与 EMI 滤波器可在一个封装内完成两个关键任务，并可简化通过 I/O 口布放总线的工作。多个 TVS
