與系統模擬輸入和輸出節點相互作用的外部高壓瞬變如果沒有得到充分保護，可能會損壞系統內的集成電路（IC）。現代IC的模擬輸入和輸出引腳通常具有高壓靜電放電（ESD）瞬變保護。人體模型 （HBM）、機器模型 （MM） 和帶電設備模型 （CDM） 是用于測量設備承受 ESD 事件能力的設備級標準。這些測試旨在使設備能夠承受通常在受控環境中進行的制造和PCB組裝過程。

在惡劣電磁環境中運行的系統需要承受輸入或輸出節點上的高壓瞬變，當從器件級標準轉向系統級標準以實現高壓瞬態魯棒性時，傳輸到IC引腳的能級存在很大差異。因此，直接與這些系統輸入/輸出節點接口的IC也必須得到充分保護，以承受系統級高壓瞬變。如果在系統設計早期未考慮這種保護，可能會導致系統保護不足、產品發布延遲和系統性能下降。本文介紹如何保護敏感的模擬輸入和輸出節點免受這些IEC標準瞬態電平的影響。

圖1.用于精密模擬輸入的IEC系統保護。

IEC 61000 認證

IEC 61000 是在系統級別涵蓋 EMC 穩健性的標準。該標準中處理高壓瞬變的三個部分是IEC 61000-4-2，IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5。這些是靜電放電 （ESD）、電快速瞬變 （EFT） 和浪涌的系統級標準。這些標準定義了波形、測試方法和測試級別，用于評估電氣和電子設備在這些瞬變下的抗擾度。

IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統在運行期間對系統外部ESD事件的抗擾度，例如，如果系統輸入/輸出與帶電的人、電纜或工具接觸。IEC 61000-4-2規定使用兩種耦合方法進行測試：接觸放電和氣隙放電。

IEC 61000-4-4 EFT 測試涉及將許多極快的瞬態脈沖耦合到信號線上，以表示與電容耦合到信號線的外部開關電路相關的瞬態干擾。該測試反映了由感性或容性負載開關引起的開關觸點反彈或瞬變，所有這些都在工業環境中很常見。

浪涌瞬變是由開關或雷電瞬變的過電壓引起的。開關瞬變可能是由電力系統開關、配電系統中的負載變化或各種系統故障引起的，例如安裝的接地系統的短路和電弧故障。雷電瞬變可能是附近雷擊注入電路的高電流和電壓的結果。

瞬態電壓抑制器

TVS的基本參數：

瞬態電壓抑制器（TVS）可用于抑制電壓浪涌。它們用于箝位高壓瞬變，并將大電流分流到敏感電路之外。TVS的基本參數是：

工作峰值反向電壓：低于該電壓不會發生明顯傳導的電壓

擊穿電壓：發生某些指定傳導的電壓

最大鉗位電壓：傳導指定最大電流時器件兩端的最大電壓

在系統輸入或輸出上使用TVS設備時，必須考慮許多因素。ESD或EFT事件將產生非常快的時間（1 ns至5 ns）瞬態波形，導致在TVS器件箝位在其擊穿電壓之前，系統輸入端出現初始過沖電壓。浪涌事件具有不同的瞬態波形，具有緩慢上升時間（1.2 μs）和長持續時間（50 μs）脈沖，在這種情況下，電壓最初將被箝位在擊穿電壓處，但它可以繼續增加到TVS最大鉗位電壓。此外，TVS 必須高于任何可能由接線錯誤、斷電或用戶錯誤引起的容許直流過壓，以保護系統免受此直流過壓事件的影響。這三種情況都可能導致下游電路輸入端出現潛在的破壞性過壓。

模擬輸入保護電路

為了充分保護系統輸入/輸出節點，必須保護系統免受直流過壓和高壓瞬變的影響。在系統輸入端使用精密、可靠的過壓保護 （OVP） 開關，結合 TVS 可以保護敏感的下游電路（例如，模數轉換器或放大器輸入/輸出），因為它可用于阻止過壓并抑制未被 TVS 分流到地的剩余電流。

圖2.過壓保護開關功能框圖。

圖2顯示了典型過壓保護開關的功能框圖;請注意，此開關的輸入節點上沒有以電源為基準的ESD保護二極管。相反，它具有一個ESD保護單元，該保護單元在器件最大關斷電壓以上觸發，從而使器件能夠關斷并阻止超出其電源電壓的電壓。由于模擬系統通常要求只有開關的外部引腳需要IEC保護，因此ESD保護二極管保留在面向內部的引腳上（稱為開關輸出或漏極側）。這些二極管通過用作二級保護器件而受益。在短時間內，具有快速上升時間的高壓瞬變（如ESD或EFT）時，瞬態電壓被箝位，因此電壓不會到達下游電路。在長時間內，具有緩慢上升時間的高壓瞬變類似浪涌，開關的輸出電壓由內部保護二極管箝位，然后激活開關的過壓保護，開關斷開，將故障與下游電路完全隔離。

圖3顯示了與外界接口的系統輸入的工作區域。最左側區域（綠色）表示正常工作，其中輸入電壓在電源電壓范圍之間。左起第二個區域（藍色）表示由于斷電、接線錯誤或短路而可能出現的持續直流或長時間交流過電壓的范圍。圖中最右側（紫色）還包括過壓開關內部ESD保護二極管的觸發電壓。TVS擊穿電壓（橙色）必須選擇小于過壓保護開關的最大關斷電壓，并且也大于任何已知的持續直流或長時間交流過壓，以避免無意中觸發TVS。

圖3.系統操作區域。

圖4中的以下保護電路可承受高達8 kV IEC ESD（接觸放電）、16 kV IEC ESD（空氣放電）、4 kV EFT和4 kV浪涌。ADG5412F（ADI公司的±55 V過壓保護和檢測，四通道SPST開關）可以承受ESD、EFT和浪涌瞬變引起的過壓，而過壓保護與漏極保護二極管相結合，可保護和隔離下游電路。表1顯示了ADG5412F可以承受TVS擊穿電壓和電阻的各種組合的高壓瞬變水平。

圖4.保護電路。

保護網絡由TVS和可選的低阻值電阻器組成。需要該電阻來實現更高水平的ESD和EFT保護，因為它可以防止過壓開關的內部ESD保護單元在TVS箝位輸入端的電壓之前觸發。圖4還顯示了高壓瞬態事件期間的各種電流路徑。大部分電流通過TVS器件（路徑I1）分流到地。路徑I2顯示通過ADG5412F輸出端的內部ESD二極管耗散的電流，而輸出電壓被箝位至高于電源電壓0.7 V。最后，路徑I3中的電流是下游組件必須承受的剩余電流水平。有關此保護電路的更多詳細信息，請參見ADI公司的應用筆記AN-1436。

電工電子電氣防靜電保護

圖5.測試電路。

圖6和圖7顯示了使用圖5所示測試電路在8 kV接觸放電和16 kV空氣放電IEC ESD事件期間進行的測量。如前所述，在TVS器件將電壓箝位至約54 V之前，源極引腳上存在初始過壓。在此過壓期間，開關漏極處的電壓被鉗位在電源電壓上方0.7 V。漏極電流測量顯示流入下游器件二極管的電流。脈沖的峰值電流約為680 mA，電流持續時間僅為約60 ns。相比之下，峰值電流為660 mA的1 kV HBM ESD沖擊的持續時間為500 ns。因此，可以合理地得出結論，HBM ESD 額定值為 1 kV 的下游組件應使用此保護電路同時承受 8 kV 接觸放電和 16 kV 空氣放電 IEC ESD 事件。

圖6.8 kV事件期間漏極電壓和輸出電流。

圖7.16 kV 空氣放電事件期間漏極電壓和輸出電流。

電子轉帳保護

圖8是在4 kV EFT事件的一個脈沖期間進行的測量。與ESD瞬變期間發生的情況類似，在TVS器件將電壓箝位至約54 V之前，源極引腳上存在初始過壓。在此過壓期間，開關漏極處的電壓再次被箝位在電源電壓上方0.7 V。在這種情況入下游器件的脈沖峰值電流僅為420 mA，電流持續時間僅為約90 ns。與 HBM ESD 事件相比，750 V HBM ESD 沖擊的峰值電流為 500 mA，持續時間為 500 ns。因此，在4 kV EFT事件期間，能量被傳輸到下游器件的引腳，小于750 V HBM ESD事件。

圖8.單個脈沖的 EFT 電流。

浪涌保護

圖9中的測量結果顯示了施加到保護電路輸入端的4 kV浪涌瞬變的結果。如前所述，源極處的電壓可能會超過TVS的擊穿電壓，直至其最大鉗位電壓。本電路中的過壓保護開關的反應時間約為500 ns，在前500 ns時間段內，器件漏極上的電壓被箝位在電源電壓上方0.7 V。在此期間，流向下游器件的峰值電流僅為608 mA，大約500 ns后，開關關閉并將下游電路與故障隔離。同樣，這小于1 kV HBM ESD事件期間傳輸的能量。

圖9.在浪涌事件期間運行 OVP。

結論

本文介紹如何保護集成電路模擬輸入和輸出免受高壓瞬變的影響，如標準IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5所述。

這些信息為系統設計人員提供了設計系統輸入和輸出保護電路所需的知識，同時實現以下優勢：

易于保護的設計

加快上市時間

由于所需的分立元件數量減少，保護電路性能更高

信號路徑中串聯電阻值降低

寬大的TVS設計窗口，易于選擇TVS

針對以下標準的系統級保護

IEC 61000-4-2 16 kV 空氣放電

IEC 61000-4-2 8 kV 接觸放電

IEC 61000-4-4 4 kV

IEC 61000-4-5 4 kV

高達 ±55 V 的交流和持續直流過壓保護

高達 ±55 V 的斷電保護

審核編輯：郭婷