本文旨在幫助指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計人員了解不同類型的電氣過應(yīng)力（EOS）及其如何影響其系統(tǒng)。雖然本文針對的是系統(tǒng)中引起的特定類型的電應(yīng)力，但這些信息仍然可以應(yīng)用于各種場景。

這個主題很重要，因為如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，即使是最好的電路也會降低性能或被EOS破壞。

什么是EOS？

EOS是一個通用術(shù)語，描述系統(tǒng)被太多試圖進(jìn)入電路的電子所承受壓力。重要的是要記住，這是功率和時間的函數(shù)。

將復(fù)雜電路抽象為一個耗散功率的簡單元件（例如電阻器）可能會有所幫助。在額定功率為1 W的1 Ω電阻上輸入1.1 V電壓，得出功耗公式，

告訴我們 1.21 W 正在消散。雖然電阻的額定功率為1 W，但其中可能內(nèi)置了一些裕量，因此您可以在一段時間內(nèi)擺脫這種情況。不過，可能不會永遠(yuǎn)。

如果將電壓提高到 2 V 會怎樣？聰明的錢是用那個電阻器在非常有限的時間內(nèi)用作空間加熱器，因為它的耗散是上一個例子的四倍——請記住：

如果將該電壓增加到 10 V，但僅持續(xù) 10 毫秒，該怎么辦？這就是事情變得有趣的地方——如果不了解它以及它的設(shè)計來處理什么，就沒有辦法真正告訴它對零件的影響?，F(xiàn)在我們可以將這些知識帶到整個組件系統(tǒng)中。

什么對EOS敏感？

一般來說，所有有電子設(shè)備的東西都容易受到EOS的影響。 特別脆弱的部件是與外界接口的部件，因為它們很可能是第一個看到靜電放電（ESD）、雷擊等的部件。我們感興趣的是 USB 端口、示波器的模擬前端以及最新高性能物聯(lián)網(wǎng)攪拌機(jī)的充電端口等部件。

圖1.8 kV 時的理想接觸放電電流波形。

我們怎么知道要防范什么？

雖然我們知道我們希望保護(hù)系統(tǒng)免受電氣過應(yīng)力的影響，但在決定如何保護(hù)我們的系統(tǒng)時，該術(shù)語過于寬泛，無濟(jì)于事。這就是為什么IEC（和許多其他組織）的優(yōu)秀人員已經(jīng)做了艱苦的工作，弄清楚我們在現(xiàn)實生活中可能會遇到哪些類型的EOS。我們將重點關(guān)注IEC規(guī)范，因為它們涵蓋了廣泛的市場應(yīng)用，并且圍繞它們的混亂證明了本出版物的合理性。表1顯示了三個規(guī)范，它們定義了系統(tǒng)可能遇到的EOS條件類型。雖然這里只深入討論ESD，但我們也應(yīng)該熟悉電快速瞬變（EFT）和浪涌。

圖2.符合 IEC61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)的電氣快速瞬態(tài) 4 級波形。

制造集成電路的人不是已經(jīng)保護(hù)芯片免受ESD的影響嗎？

對此不令人滿意的答案是肯定的和否定的。是的，這些芯片設(shè)計用于在制造過程中處理ESD，而不是在系統(tǒng)中供電的情況下處理ESD。這種區(qū)別非常重要，因為當(dāng)放大器為其供電時，它暴露在靜電中時的行為可能與未連接到任何東西時的行為非常不同。例如，對未上電部件的ESD沖擊可能會被內(nèi)部保護(hù)二極管耗散。然而，ESD撞擊受電部件可能會導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)比其設(shè)計處理的更多的電流。這可能導(dǎo)致器件自焚，具體取決于器件和電源電壓。

這是國際緊急情況！如何保護(hù)我最喜歡的IC免受這種迫在眉睫的威脅？

正如我希望你意識到的那樣，這一挑戰(zhàn)有很多因素，一個簡單的解決方案不可能適用于所有情況。以下是確定部件是否在EOS事件中幸存下來的因素列表。它分為兩組：我們無法控制的因素和我們可能控制的因素。

我們無法控制的事情：

IEC波形：ESD，EFT和浪涌都具有非常不同的配置文件，因此它們將利用它們所攻擊的設(shè)備的某些弱點。

正在考慮的設(shè)備的工藝技術(shù)：某些工藝技術(shù)比其他工藝技術(shù)更容易發(fā)生閂鎖。例如，CMOS工藝容易發(fā)生閂鎖，但有許多方法可以通過許多現(xiàn)代工藝中使用的精心設(shè)計和溝槽隔離來減輕這種危害。

正在考慮的器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)：IC的設(shè)計方式如此之多，以至于適用于一種保護(hù)方案可能不適用于另一種保護(hù)方案。例如，許多設(shè)備都有定時電路，如果檢測到足夠快的波形，該電路將打開保護(hù)結(jié)構(gòu)。這可能意味著，如果在撞擊位置添加足夠的電容，經(jīng)受住ESD沖擊的設(shè)備可能無法存活。這種反應(yīng)是違反直覺的，但認(rèn)識到這一點非常重要：一種常見的電路保護(hù)方法 - RC濾波器 - 可能會使問題變得更糟。

圖3.IEC61000-4-5浪涌在8 μs/20 μs電流波形下歸一化。

您可以控制的事情：

PCB布局：零件離撞擊位置越近，它們就越有可能看到更高的能量波形。這是因為當(dāng)沖擊波形沿著路徑傳播時，波形正在耗散能量——從波形路徑輻射出去的EMI，路徑電阻產(chǎn)生的熱量，以及與附近導(dǎo)體的寄生電容和電感耦合。

保護(hù)電路：這是我們可以對設(shè)備的生存能力產(chǎn)生最有意義的影響的地方。上述我們無法控制的事情將告知我們?nèi)绾卧O(shè)計保護(hù)方案。

你們擁有那些冷卻過壓保護(hù) （OVP） 和過頂 （OTT） 功能。我用它們來防止高壓瞬變怎么樣？

不！別這樣。不是一個好主意。OVP 和 OTT 功能允許器件的輸入端看到超出電源電壓的電壓，而不會損壞器件。依靠這些功能來防止高壓瞬變就像依靠雨靴來防止高壓清洗機(jī)一樣。雨靴適用于比其高度淺的水坑，就像 OVP 和 OTT 適用于低于其額定值的水坑一樣。OVP 和 OTT 的額定電壓大約超過給定電源軌的數(shù)十伏。這對八千伏特?zé)o濟(jì)于事。

我如何知道哪些保護(hù)電路將起作用？

通過使用設(shè)備知識、經(jīng)驗和測試的組合，我們可以合理地了解在我們的系統(tǒng)中使用的最佳組件是什么。由于各種制造商提供了令人眼花繚亂的保護(hù)組件列表，以保持事情的可管理性，因此我將僅討論兩種在模擬前端保護(hù)中被證明有效的電路保護(hù)方案。以下方案假設(shè)運算放大器采用緩沖器配置。這被認(rèn)為是最苛刻的保護(hù)測試，因為同相輸入可以看到所有撞擊，沒有其他區(qū)域的能量去（在安裝保護(hù)之前）。

圖4.IEC-61000-4-2測試中電路的表示。

考慮：

R1應(yīng)為耐脈沖（厚膜）電阻，使其在高壓瞬變下不會輕易擊穿。

R1電壓噪聲與電阻值的平方根成正比，如果系統(tǒng)需要低噪聲，這是一個重要的考慮因素。

C1 應(yīng)為封裝尺寸至少為 0805 的陶瓷電容器，以減輕封裝上的表面電弧。

C1應(yīng)至少為X5R（理想情況下為C0G/NP0）溫度系數(shù)，以保持可預(yù)測的電容。

C1的串聯(lián)電感和電阻應(yīng)盡可能低，以便能夠有效地吸收沖擊。

對于給定的封裝尺寸，C1 的額定電壓應(yīng)盡可能高（最小 100 V）。

在這種情況下，C1在R1之前，因為它用150 pF電容（如圖5所示）產(chǎn)生一個電容分壓器，將ESD波形放電到我們的系統(tǒng)中，從而在放大器看到能量之前將其分流出去。

圖5.在模擬輸入端使用低通濾波器進(jìn)行輸入保護(hù)。

注意：雖然這種前端保護(hù)方法沒有得到電容器制造商的認(rèn)可，但經(jīng)過數(shù)百次放大器測試，它已被證明是有效的。ESD測試曲線（如下所述）僅在有限范圍的電容器產(chǎn)品上進(jìn)行了測試，因此如果使用不同的電容器產(chǎn)品，則通過測量ESD沖擊前后的電容和串聯(lián)電阻等來表征它們?nèi)绾翁幚頉_擊非常重要。設(shè)備應(yīng)保持電容，并在濫用后始終以直流頻率打開。

考慮：

與RC網(wǎng)絡(luò)相同：R1應(yīng)承受脈沖，可能需要考慮噪聲。

應(yīng)為需要遵守的標(biāo)準(zhǔn)指定 D1。有些可能只涵蓋 ESD，但有些涵蓋 EFT 和浪涌標(biāo)準(zhǔn)。

D1 應(yīng)該是雙向的，以便它可以處理正面和負(fù)面打擊。

D1反向工作電壓應(yīng)選擇盡可能高，同時仍通過必要的測試。太低，在正常的系統(tǒng)電壓水平下可能會漏電流。太高，在系統(tǒng)損壞之前可能沒有反應(yīng)。

但我聽說TVS二極管泄漏很多，會扼殺我的表現(xiàn)。

模擬電子學(xué)的常識表明，TVS二極管是泄漏的，因此不能用于精密模擬前端。這種智慧并不一定如此——許多數(shù)據(jù)手冊將顯示<100 μA的漏電流，這對于大多數(shù)模擬人員來說相當(dāng)高。這個數(shù)字的問題在于它是在最高溫度（150°C）的最大工作電壓下拍攝的。在這種情況下，二極管將非常泄漏。所有二極管在85°C以上泄漏得更多。 只要選擇具有較高反向工作電壓的TVS二極管，并且不希望在85°C以上實現(xiàn)低泄漏，那么就可以期望漏電流要低得多。

圖6.在模擬輸入端使用TVS二極管提供輸入保護(hù)。

如果您正確選擇TVS，您可能會驚訝于與TVS相關(guān)的泄漏如此之少。圖7顯示了測量具有相同部件號的12個TVS二極管泄漏的數(shù)據(jù)：

圖7.36 V雙向TVS二極管的漏電流—Bournes T36SC，使用帶屏蔽和25°C時10 G電阻的TIA中的ADA4530評估板。

在測量的12個TVS二極管中，最糟糕的二極管在5 V直流偏置時有7 pA的漏電流。這比數(shù)據(jù)手冊中最壞的情況要好1000多萬倍。當(dāng)然，不同批次的TVS二極管在泄漏方面存在差異，但這至少應(yīng)該說明預(yù)期的數(shù)量級。如果我們的系統(tǒng)不會看到高于85°C的溫度，TVS二極管可能是一個不錯的選擇。請記住，如果您選擇其他產(chǎn)品而不是此處專門測試的產(chǎn)品，請表征泄漏。對于一個零件或制造商來說可能是正確的，對于另一個零件或制造商來說可能不是正確的。

測試結(jié)果：

一系列運算放大器使用IEC ESD標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測試。表 2 顯示了哪些保護(hù)方案保護(hù)哪些組件。盡管ESD標(biāo)準(zhǔn)是在±8 kV下進(jìn)行三次沖擊，但所有這些方案在±9 kV下通過100次罷工，以確保足夠的保護(hù)裕度。

IEC標(biāo)準(zhǔn)要求ESD源極接地通過兩個470 kΩ電阻并聯(lián)30 pF電容連接到放大器的接地。這種測試設(shè)置更加苛刻，因為ESD源的接地直接連接到放大器的地。這些結(jié)果也在剛才描述的IEC接地耦合方案上得到了驗證，以增加信心。請記住，由于放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大不相同，因此適用于此列表中的設(shè)備的產(chǎn)品可能適用于其他設(shè)備，也可能不適用于其他設(shè)備。如果使用其他設(shè)備或其他保護(hù)組件，建議對其進(jìn)行徹底測試。

使用的保護(hù)組件：

電阻器：松下 0805 ERJ-P6 系列

電容器： 國巨 0805 100 V C0G/NPO

TVS 二極管：Bourns CDSOD323-T36SC（雙向，36 V，低泄漏，額定值符合 ESD、EFT、浪涌標(biāo)準(zhǔn)）

ESD 壓敏電阻： Bourns MLA 系列， 0603 26 V

附加組件：ESD壓敏電阻

TVS二極管工作得很好，可以無限次敲擊。此功能非常適合EFT和浪涌，但如果您只需要ESD保護(hù)，請查看ESD壓敏電阻 - 它們是極高值的電阻，直到它們看到一定的電壓，然后它們變成低值電阻并將能量分流通過壓敏電阻。

它們與TVS二極管的配置相同。它們的泄漏更少，成本不到TVS二極管的一半。請注意，它們不是為看到數(shù)百次打擊而設(shè)計的，并且它們的抵抗力會隨著每次撞擊而降低。ESD壓敏電阻也在上述產(chǎn)品上進(jìn)行了測試，當(dāng)內(nèi)聯(lián)電阻約為TVS二極管所需值的兩倍時，性能最佳。

EFT 和浪涌呢？

這些產(chǎn)品僅根據(jù)ESD標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測試。EFT的獨特之處在于，盡管電壓不高（4 kV及以下），但沖擊以突發(fā)（5 kHz或更高）和較慢的上升時間（5 ns）進(jìn)行。浪涌每次打擊的能量大約是EFT的1000倍，但為EFT的1/1000千與波形一樣快。如果還需要涵蓋這些標(biāo)準(zhǔn)，請確保保護(hù)組件在其數(shù)據(jù)手冊中聲明他們可以處理這些標(biāo)準(zhǔn)。

電路保護(hù)簡述

雖然RC濾波器或TVS二極管似乎很容易在事后考慮在電路中折騰，但請記住本文中提到的會影響系統(tǒng)性能和保護(hù)級別的所有其他事項。這包括布局、前端使用的部件以及需要滿足的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)。如果您盡早記住這一點，它可能會減輕系統(tǒng)設(shè)計最后階段的緊急重新設(shè)計。

本文遠(yuǎn)非全面的概述。敏感性的話題將在我們的后續(xù)文章中得到更深入的處理。此外，基站接收器設(shè)計中的其他挑戰(zhàn)包括自動增益控制（AGC）算法、信道估計和均衡算法。我們計劃在本文之后發(fā)布一系列技術(shù)文章，旨在簡化您的設(shè)計過程并提高您對接收機(jī)系統(tǒng)的理解。

審核編輯：郭婷