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本文旨在幫助指導系統設計人員了解不同類型的電氣過應力 （EOS） 及其對系統的影響。雖然本文針對的是系統中引起的特定類型的電應力，但這些信息仍然可以應用于各種場景。
這個話題很重要，因為如果沒有適當的保護，即使是最好的電路也會降低性能或被 EOS 破壞。
什么是 EOS？
EOS 是一個通用術語，用于描述一個系統因過多的電子試圖進入您的電路而受到壓力。重要的是要記住，這是權力和時間的函數。
將復雜電路抽象為一個消耗功率的簡單組件（例如電阻器）可能會有所幫助。在額定功率為 1 W 的 1 Ω 電阻器上施加 1.1 V 電壓，功耗方程為
告訴我們 1.21 W 正在消散。雖然電阻器的額定功率為 1 W，但它可能內置了一些余量，因此您可以暫時擺脫它。不過，可能不會永遠。
如果將電壓增加到 2 V 會怎樣？考慮到它的耗散量是上一個示例的四倍，聰明的錢是在用作空間加熱器的電阻器上，時間非常有限 - 請記住：
如果您將該電壓增加到 10 V，但僅持續 10 ms，會怎樣？這就是事情變得有趣的地方——如果不了解它以及它的設計目的是什么，就無法真正說出對零件的影響。現在我們可以將這些知識應用于整個組件系統。
什么易受 EOS 影響？
一般來說，任何有電子設備的東西都容易受到 EOS 的影響。特別易受攻擊的部件是與外界交互的部件，因為它們很可能首先看到靜電放電 （ESD）、雷擊等。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網攪拌機的充電端口等部件。
我們怎么知道要防范什么？
雖然我們知道我們想要保護系統免受電氣過載的影響，但這個術語過于寬泛，在決定如何保護我們的系統時無濟于事。這就是為什么 IEC（和許多其他組織）的優秀人員努力找出我們在現實生活中可能遇到的 EOS 類型。我們將專注于 IEC 規范，因為它們涵蓋了廣泛的市場應用，并且圍繞它們的混亂證明了本出版物的合理性。表 1 顯示了三個規范，這些規范定義了系統可能遇到的 EOS 條件類型。雖然這里只深入討論 ESD，但我們也應該熟悉電快速瞬變 （EFT） 和浪涌。
圖 1. 8 kV 時的理想接觸放電電流波形。
圖 2a 和 2b。符合 IEC61000-4-4 標準的電氣快速瞬態 4 級波形。
圖 3. IEC61000-4-5 浪涌在 8 μs/20 μs 電流波形下歸一化。
對此不滿意的答案是肯定的和否定的。是的，這些芯片的設計目的是在制造過程中處理 ESD，而不是在系統和供電的情況下處理 ESD。這種區別非常重要，因為當放大器通電時，它在暴露于靜電時的行為可能與未連接任何東西時的行為非常不同。例如，內部保護二極管可以消除未通電部件上的 ESD 沖擊。然而，帶電部件上的 ESD 沖擊可能會導致內部結構傳導的電流超出其設計承受能力。根據部件和電源電壓，這可能會導致部件自焚。
這是國際緊急情況！如何保護我最喜歡的 IC 免受這種迫在眉睫的威脅？
正如我希望你意識到的那樣，這個挑戰有很多元素，一個簡單的解決方案不能適用于所有情況。以下是決定零件是否能在 EOS 事件中幸存的因素列表。它分為兩組：我們無法控制的因素和我們可以控制的因素。
我們無法控制的事情：
IEC 波形：ESD、EFT 和浪涌都有非常不同的曲線，因此它們會以不同的方式利用設備的某些弱點。
正在考慮的器件工藝技術：一些工藝技術比其他工藝技術更容易發生閂鎖。例如，CMOS 工藝容易發生閂鎖，但有一些方法可以通過在許多現代工藝中使用的精心設計和溝槽隔離來減輕這種危險。
正在考慮的設備內部結構：IC 的設計方式有很多種，以至于一種適用于其中一種的保護方案可能不適用于另一種。例如，許多設備都有定時電路，如果檢測到足夠快的波形，就會開啟保護結構。這可能意味著，如果您在雷擊位置添加足夠的電容，則在 ESD 雷擊中幸存下來的設備可能無法幸免。這種反應是違反直覺的，但意識到這一點非常重要：一種常見的電路保護方法 - RC 濾波器 - 可能會使問題變得更糟。
您可以控制的事情：
PCB 布局：您的零件越靠近雷擊位置，它們就越有可能看到更高能量的波形。這是因為當雷擊波形沿路徑傳播時，波形正在消耗能量——在從波形路徑輻射出的 EMI、路徑電阻引起的熱量以及與附近導體的寄生電容和電感耦合中。
保護電路：這是我們可以對設備的生存能力產生最有意義影響的地方。上述我們無法控制的事情將告知我們如何設計保護方案。
你們有那些很酷的過電壓保護 （OVP） 和過壓 （OTT） 功能。我如何使用它們來防止高壓瞬變？
不！不要那樣做。不是一個好主意。OVP 和 OTT 功能允許部件的輸入看到超出電源電壓的電壓，而對部件的損壞為零。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一樣。雨靴適用于低于其高度的水坑，就像 OVP 和 OTT 適用于低于其額定值的電壓一樣。OVP 和 OTT 的額定電壓在給定電源軌之外大約幾十伏。這對 8，000 伏電壓無濟于事。
圖 4. IEC-61000-4-2 測試中的電路表示。
我怎么知道什么保護電路會起作用？
通過結合使用設備知識、經驗和測試，我們可以合理地了解在我們的系統中使用的最佳組件是什么。由于各種制造商提供的保護組件清單令人眼花繚亂，因此我將只討論兩種已被證明在模擬前端保護中有效的電路保護方案。以下方案假設運算放大器采用緩沖器配置。這被認為是最嚴厲的保護測試，因為同相輸入看到所有的沖擊，沒有其他區域可供能量通過（在安裝保護之前）。
圖 5. 在模擬輸入端使用低通濾波器進行輸入保護。
注意事項：
R1 應該是一個耐脈沖（厚膜）電阻器，這樣它就不會因為高壓瞬變而輕易擊穿。
R1 電壓噪聲與電阻值的平方根成正比——如果系統需要低噪聲，這是一個重要的考慮因素。
C1 應該是一個封裝尺寸至少為 0805 的陶瓷電容器，以減輕封裝上的表面電弧。
C1 應至少為 X5R（理想情況下為 C0G/NP0）溫度系數，以保持可預測的電容。
C1的串聯電感和電阻應盡可能低，以有效吸收雷擊。
對于給定的封裝尺寸，C1 的額定電壓應盡可能高（最低 100 V）。
在這種情況下，C1 位于 R1 之前，因為它使用 150 pF 電容器（來自圖 5）創建了一個電容分壓器，將 ESD 波形放電到我們的系統中，從而在放大器看到之前將能量分流出去。
注意：雖然這種前端保護方法并未得到電容器制造商的認可，但已在數百次放大器測試中證明它是有效的。ESD 測試配置文件（如下所述）僅在有限范圍的電容器產品上進行了測試，因此如果使用不同的電容器產品，重要的是要表征它們如何處理沖擊，例如通過測量 ESD 沖擊前后的電容和串聯電阻。 該設備應保持電容并在被濫用后始終在直流頻率下打開。
圖 6. 在模擬輸入端使用 TVS 二極管進行輸入保護。
注意事項：
與 RC 網絡相同：R1 應該能夠承受脈沖，并且可能需要考慮噪聲。
對于需要遵守的標準，應指定 D1。有些可能只涵蓋 ESD，但有些則涵蓋 EFT 和浪涌標準。
D1 應該是雙向的，以便它可以處理正面和負面的打擊。
D1反向工作電壓應選擇盡可能高，同時仍要通過必要的測試。太低，它可能會在正常系統電壓水平期間泄漏電流。太高，它可能在系統損壞之前沒有反應。
但我聽說 TVS 二極管泄漏很多，會影響我的表現。
模擬電子領域的常識表明 TVS 二極管存在泄漏，因此不能用于精密模擬前端。事實并非如此——許多數據表會顯示漏電流 《100 μA，這對于大多數模擬人員來說是相當高的。這個數字的問題是它是在最高溫度 （150°C） 下的最大工作電壓下獲取的。在這種情況下，二極管將非常漏電。所有二極管在高于 85°C 時泄漏更多。只要選擇具有較高反向工作電壓的 TVS 二極管，并且不期望 85°C 以上的低泄漏，就可以期望低得多的泄漏電流。
如果您選擇正確，您可能會驚訝于 TVS 幾乎沒有泄漏。圖 7 顯示了測量具有相同部件號的 12 個 TVS 二極管的泄漏的數據：
圖 7. 36 V 雙向 TVS 二極管的泄漏 - Bournes T36SC 使用 TIA 中的 ADA4530 評估板，帶有屏蔽和 10 G 電阻器，溫度為 25°C。
在測量的 12 個 TVS 二極管中，最差的違規者在 5 V 的直流偏置下有 7 pA 的泄漏。這比數據表中最壞情況的情況好 1000 萬倍以上。當然，不同批次的 TVS 二極管在泄漏方面存在差異，但這至少應該說明預期的數量級。如果我們的系統不會看到高于 85°C 的溫度，TVS 二極管可能是一個不錯的選擇。如果您選擇此處專門測試的產品以外的其他產品，請記住表征泄漏。對于一個零件或制造商來說可能是正確的，但對另一個零件或制造商來說可能不是真的。
測試結果：
使用 IEC ESD 標準對一系列運算放大器進行了測試。表 2 顯示了哪些保護方案保護了哪些組件。盡管 ESD 標準是 ±8 kV 的 3 次沖擊，但所有這些方案都在 ±9 kV 的 100 次沖擊下通過，以確保足夠的保護余量。
IEC 標準要求 ESD 源接地通過兩個 470 kΩ 電阻與 30 pF 電容并聯連接到放大器的接地。這種測試設置更加苛刻，因為 ESD 源的接地直接連接到放大器的接地。這些結果也在剛剛描述的 IEC 接地耦合方案上得到驗證，以增加信心。請記住，由于放大器具有截然不同的內部結構，因此適用于此列表中的設備的方法可能適用于其他設備，也
可能不適用于其他設備。建議如果使用其他設備或其他保護組件，則對其進行徹底測試。
使用的保護組件：
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，符合 ESD、EFT、浪涌標準）
ESD壓敏電阻：Bourns MLA系列，0603 26 V
額外組件：ESD壓敏電阻
TVS 二極管工作得很好，可以無限次地被擊打。此功能非常適合 EFT 和浪涌，但如果您只需要 ESD 保護，請查看 ESD 壓敏電阻 - 它們是極高值的電阻器，直到它們看到一定的電壓，然后它們變成低值電阻器并通過壓敏電阻分流能量。
它們用于與 TVS 二極管相同的配置。它們泄漏更少，成本不到 TVS 二極管的一半。請注意，它們的設計目的不是要承受數百次打擊，而且每次打擊時它們的抵抗力都會降低。ESD 壓敏電阻也在上述產品上進行了測試，當串聯電阻約為安裝 TVS 二極管所需值的兩倍時，其性能最佳。
EFT 和浪涌呢？
這些產品僅在 ESD 標準下進行了測試。EFT 的獨特之處在于，雖然電壓沒有那么高（4 kV 及以下），但沖擊以突發（5 kHz 或更多）和較慢的上升時間（5 ns）擊中。浪涌的每次沖擊能量大約是 EFT 的 1000 倍，但速度是波形的1/1000 。如果您還需要涵蓋這些標準，請確保保護組件在其數據表中聲明他們可以處理這些標準。
電路保護概述
雖然 RC 濾波器或 TVS 二極管看起來很容易作為事后的想法在電路中折騰，但請記住本文中提到的所有其他會影響系統性能和保護級別的事情。這包括布局、前端使用的部件以及需要滿足的 IEC 標準。如果您盡早記住這一點，它可能會在系統設計的最后階段緩解緊急重新設計。
本文遠非全面概述。敏感話題將在我們的后續文章中得到更深入的探討。此外，基站接收機設計中的其他挑戰包括自動增益控制 （AGC） 算法、信道估計和均衡算法。我們計劃在本文之后發布一系列技術文章，旨在簡化您的設計過程并提高您對接收器系統的理解。
審核編輯：郭婷
工商網監
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