造就产品更牢靠的电路保护方法

造就产品更牢靠的电路保护方法　

几乎所有电子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麽问题的。

　　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元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元件。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重复频率与升温时间常数，以保证箝位元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他子系统的引脚上，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 TΩ ，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（参考文献 3）。该器件可以承受高达 20 kA 的电流。