電磁兼容性
IEC 61000規(guī)范定義了一組電磁兼容性(EMC)抗擾度要求,適用于在住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中使用的電氣和電子設(shè)備。這套規(guī)范中有三個(gè)重要的高壓瞬變規(guī)范:
IEC 61000-4-2 ESD
IEC 61000-4-4 EFT
IEC 61000-4-5浪涌耐受性
所有這些規(guī)范都定義了測(cè)試方法,用以評(píng)估電子和電氣設(shè)備對(duì)指定現(xiàn)象的耐受性。
圖1.完整保護(hù)解決方案
過壓故障保護(hù)
ADI公司高可靠性的故障防護(hù)開關(guān)和多路復(fù)用器產(chǎn)品組合(ADG5208F和ADG5412F)提供高達(dá)±55 V的OVP功能。這些器件還有高達(dá)±55 V的掉電保護(hù)、過壓故障檢測(cè)、防閂鎖、高達(dá)5.5 kV的HBM ESD防護(hù)等級(jí)。除了實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的高可靠性以外,這些具有OVP功能的開關(guān)還保持了業(yè)界領(lǐng)先的模擬性能,可以應(yīng)用于高阻抗以及低阻抗系統(tǒng)。
斷電、熱插拔連接、電源時(shí)序問題和接線錯(cuò)誤是持續(xù)直流或瞬變過壓的常見原因。將具有OVP功能的模擬開關(guān)放在系統(tǒng)的輸入或輸出節(jié)點(diǎn),就可以保護(hù)系統(tǒng)輸入和輸出免受在有電或無電情況下高達(dá)±55 V的過壓影響。該類模擬開關(guān)會(huì)隔離故障,將輸入端與電路其余部分?jǐn)嚅_。還可以保護(hù)下游電路,因?yàn)楣收喜粫?huì)通過箝位二極管傳導(dǎo)進(jìn)入系統(tǒng)。
用于開關(guān)、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)等的傳統(tǒng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)架構(gòu),在器件輸入端和輸出端上均有ESD保護(hù)二極管。圖2顯示了ADI公司具有OVP功能的模擬開關(guān)的功能框圖。傳統(tǒng)輸入保護(hù)ESD二極管對(duì)被一個(gè)雙向ESD保護(hù)單元取代,其位于輸入端點(diǎn)(Sx)和內(nèi)部開關(guān)單元之間,觸發(fā)電壓約為70 V。因此在輸入端發(fā)生過壓時(shí),開關(guān)輸入端的電平不再箝位到供電軌,開關(guān)輸入端可承受高達(dá)±55 V的電壓。雙向ESD保護(hù)單元提供高達(dá)5.5 kV HBM ESD防護(hù)能力。
圖2.具有OVP功能的模擬開關(guān)功能框圖
開關(guān)內(nèi)部故障檢測(cè)電路持續(xù)監(jiān)控輸入端電平,并將其與故障基準(zhǔn)電平(通常為VDD和VSS)相比較。當(dāng)輸入檢測(cè)到過壓狀態(tài)時(shí),受影響的通道約在500 ns后關(guān)閉,輸入端進(jìn)入高阻態(tài),將故障與任何敏感的下游電路完全隔離。在開關(guān)未作出反應(yīng)的這500 ns期間,開關(guān)輸出端的上下二極管對(duì)輸出電壓進(jìn)行箝位,同樣起到保護(hù)下游電路的作用。圖3顯示了該輸出電壓保護(hù)隨時(shí)間的變化。
圖3.輸出電壓隨時(shí)間的變化
該開關(guān)的高可靠性表現(xiàn)為如下方面:
±55 V交流和持續(xù)直流過壓保護(hù)
掉電保護(hù)高達(dá)±55 V
過壓故障防護(hù)
任何情況下都不會(huì)發(fā)生閂鎖
5.5 kV HBM ESD額定值
系統(tǒng)級(jí)保護(hù)電路
在系統(tǒng)層面,過壓保護(hù)、防閂鎖和EMC保護(hù)(ESD、EFT、浪涌)通常由一系列分立器件實(shí)現(xiàn),由于信號(hào)路徑中存在的漏電流和額外電阻,所有這些器件都可能造成系統(tǒng)性能和精度下降。
借助ADI公司過壓故障防護(hù)器件的高可靠性,并結(jié)合單個(gè)瞬變電壓抑制器(TVS)和一個(gè)低值電阻(≤30 Ω),ADG5412F可以承受高達(dá)16 kV IEC ESD(氣隙放電)、8 kV IEC ESD(接觸放電)、4 kV EFT和4 kV浪涌的高壓瞬變。圖4顯示了該保護(hù)電路。
正常工作條件下,TVS器件具有很高的對(duì)地阻抗。當(dāng)在系統(tǒng)輸入端存在一個(gè)大于TVS擊穿電壓的瞬變電壓時(shí),TVS被擊穿并提供低阻抗接地路徑,將瞬變電流從開關(guān)輸入端轉(zhuǎn)移到地,從而輸入端電壓被箝位。TVS器件的重要參數(shù)包括:工作峰值反向電壓,低于此電壓便不會(huì)發(fā)生明顯的導(dǎo)通;擊穿電壓,在該電壓時(shí)發(fā)生一定程度的導(dǎo)通;以及最大箝位電壓,這是傳導(dǎo)額定最大電流時(shí)器件上的最大電壓。
圖4.保護(hù)電路圖
此電路依照IEC61000-4-2、IEC61000-4-4和IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)ADG5412F器件能夠承受非常高的IEC ESD、EFT和浪涌瞬變。
表1顯示了ADG5412F結(jié)合TVS器件和電阻的不同組合所測(cè)得的結(jié)果。
表1.TVS器件和電阻的不同組合的測(cè)試結(jié)果
保護(hù) |
IEC ESD接觸(kV) |
氣隙(kV) |
EFT (kV) |
浪涌(kV) |
33 V TVS和0 Ω電阻 |
5 |
未測(cè)試 |
3 |
4 |
33 V TVS和10 Ω電阻 |
8 |
16 |
4 |
4 |
45 V TVS和0 Ω電阻 |
4 |
未測(cè)試 |
2 |
4 |
45 V TVS和15 Ω電阻 |
8 |
16 |
4 |
4 |
54 V TVS和30 Ω電阻 |
8 |
16 |
4 |
4 |
ESD和EFT的激勵(lì)信號(hào)具有非??焖俚纳仙龝r(shí)間,經(jīng)過初始過沖后,瞬變被TVS器件箝位。引起過沖的原因是TVS對(duì)上升時(shí)間非??斓腅SD/EFT脈沖的響應(yīng)速度不夠快,因此需要一個(gè)小電阻來提高ESD/EFT防護(hù)水平,如表1所示。
TVS選擇
選擇TVS器件時(shí),務(wù)必確保其最大工作電壓既大于要保護(hù)的引腳的正常工作電壓,又大于接線錯(cuò)誤引起的任何可能存在的已知系統(tǒng)過壓。TVS最大工作電壓與ADG5412F具有的±55 VOVP性能相結(jié)合,為TVS選擇提供了一個(gè)很寬的設(shè)計(jì)窗口。
圖5.TVS設(shè)計(jì)窗口
圖5顯示了一個(gè)與外部接口的系統(tǒng)輸入端的工作區(qū)域。最左邊的區(qū)域表示正常工作區(qū)間,輸入電壓位于電源電壓范圍以內(nèi)。左起第二個(gè)區(qū)域表示輸入端可能存在持續(xù)直流或長(zhǎng)時(shí)間交流過壓的范圍,原因是斷電、接線錯(cuò)誤或短路。另外,圖中最右側(cè)是ADG5412F內(nèi)部ESD保護(hù)二極管的觸發(fā)電壓。
TVS設(shè)計(jì)窗口區(qū)域取決于開關(guān)的±55 V過壓保護(hù)區(qū)間。該窗口由OVP開關(guān)的最大關(guān)態(tài)電壓與系統(tǒng)中可能存在的最大過壓之差決定。為保護(hù)系統(tǒng)輸入和敏感下游電路達(dá)到IEC標(biāo)準(zhǔn)的抗干擾要求,同時(shí)為了始終處在OVP開關(guān)的工作范圍以內(nèi),應(yīng)選擇擊穿電壓在TVS設(shè)計(jì)窗口之內(nèi)的TVS。此設(shè)計(jì)窗口概念使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以靈活選擇TVS,只要其擊穿電壓在這個(gè)很寬的電壓范圍以內(nèi)即可。
選擇TVS器件時(shí),另一個(gè)要考慮的參數(shù)是其最大箝位電壓。在浪涌事件期間,當(dāng)越來越大的電流流過TVS器件時(shí),TVS的箝位電壓可以升高到最大箝位電壓。對(duì)于TVS,此最大箝位電壓高于擊穿電壓。高擊穿電壓(如54 V)TVS的最大箝位電壓大于ADG5412F數(shù)據(jù)手冊(cè)中針對(duì)源極引腳規(guī)定的±55 V直流絕對(duì)最大額定值。但是,“浪涌測(cè)試,IEC61000-4-5”部分證明,在浪涌瞬變持續(xù)時(shí)間內(nèi),ADG5412F可以承受大于直流最大額定值的電壓。這是因?yàn)槔擞克沧兊纳仙龝r(shí)間比ESD脈沖慢得多,故在浪涌瞬變持續(xù)時(shí)間內(nèi),ADG5412F內(nèi)部ESD保護(hù)不會(huì)觸發(fā)。
系統(tǒng)級(jí)保護(hù)
在圖4所示電路中,分立TVS和電阻保護(hù)ADG5412F免受IEC ESD、EFT和浪涌事件影響。ADG5412F可保護(hù)電路免受過壓故障、閂鎖和熱插拔事件的影響。為了全面保護(hù)系統(tǒng)輸入免受ESD、EFT和浪涌事件影響,不僅要確保OVP器件(ADG5412F)能承受瞬變電壓,而且要確保充分抑制ADG5412F漏極(Dx)上離開開關(guān)的能量水平,避免下游器件受損。
圖6顯示了在IEC ESD、EFT和浪涌事件期間,用于量化ADG5412F輸出端輸出的能量水平的設(shè)置。
測(cè)試設(shè)置復(fù)制了一個(gè)典型系統(tǒng),其中ADG5412F保護(hù)下游器件的輸入。上下二極管代表任何下游電路(如放大器或ADC)中存在的輸入ESD保護(hù)二極管。在瞬變事件期間,ADG5412F能夠有效降低到達(dá)下游器件的能量,下一部分中的數(shù)據(jù)證明了這一點(diǎn)。下游器件的輸入ESD保護(hù)二極管消除保護(hù)電路輸出端殘留的微小能量,就像在HBM ESD事件期間所做的一樣。
圖6.測(cè)試設(shè)置
靜電放電(ESD)
ESD是指靜電荷在不同電位的實(shí)體之間的突然傳輸,由靠近接觸或電場(chǎng)感應(yīng)引起。其特征是在短時(shí)間內(nèi)有高電流流過。
IEC 61000-4-2測(cè)試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過程中對(duì)系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2規(guī)定要使用兩種耦合方法測(cè)試:接觸放電和氣隙放電。接觸放電是指放電槍直接與受測(cè)裝置相連。氣隙放電使用更高的測(cè)試電壓,但不會(huì)直接接觸受測(cè)裝置。
在氣隙放電測(cè)試期間,放電槍的充電電極朝向受測(cè)單元移動(dòng),直到氣隙上發(fā)生電弧放電。放電槍不與受測(cè)裝置直接接觸。氣隙測(cè)試的結(jié)果和可重復(fù)性會(huì)受到多種因素的影響,包括濕度、溫度、氣壓、距離和放電槍逼近受測(cè)裝置的速率。與接觸放電方法相比,氣隙放電方法能夠更好地反映實(shí)際ESD事件,但可重復(fù)性較差。
圖7顯示了規(guī)范所述的8 kV接觸放電電流波形。需要注意的關(guān)鍵波形參數(shù)是不到1 ns的快速上升時(shí)間、大約60 ns的短脈沖寬度和30 A的峰值電流。
圖7.IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)
該測(cè)試是按單次放電進(jìn)行的。測(cè)試點(diǎn)可能承受至少10次正極放電和10次負(fù)極放電。推薦的放電間隔為1秒。
將ESD脈沖施加于保護(hù)電路輸入端時(shí),經(jīng)過初始過沖后,輸入端電壓由TVS器件(SMAJ54CA)箝位在54 V。由于脈沖持續(xù)時(shí)間非常短(大約60 ns),所以ADG5412F內(nèi)部OVP電路沒有時(shí)間作出反應(yīng),將下游電路與ESD事件隔離開來。但是,ADG5412F輸出端的內(nèi)部保護(hù)二極管變?yōu)檎?,將ADG5412F的輸出電壓箝位在VDD + 0.7 V。
輸出端的這些內(nèi)部二極管可靠性很高,足以帶走大部分電流,從而保護(hù)下游器件,使系統(tǒng)免受初始8 kV ESD事件影響。
靜電放電測(cè)試,IEC61000-4-2
圖8顯示了IEC瞬變事件期間通過電路的電流路徑。大部分電流通過TVS器件分流到地(路徑I1)。路徑I2顯示了開關(guān)斷開所需的500 ns時(shí)間內(nèi)消散的電流。最后,路徑I3中的電流是下游器件必須承受的電流水平。
圖8.ESD事件期間的電流路徑
圖9顯示了在開關(guān)輸出端測(cè)得的電流,條件是將±8 kV IEC ESD接觸放電脈沖施加于ADG5412F輸入端,采用54 V TVS (Bourns SMAJ54CA)和30 Ω串聯(lián)電阻。在TVS箝位瞬變電壓之前有一個(gè)初始過沖(參見“TVS選擇”部分),以免觸發(fā)ADG5412F內(nèi)部ESD保護(hù)(需要30 Ω電阻)。在IEC ESD事件期間,在ADG5412F輸出端(Dx)測(cè)得的峰值電流僅有678 mA。
輸出端測(cè)得的峰值電流脈沖寬度大約為60 ns,可以與HBM ESD事件相比較。1 kV HBM ESD電擊的峰值電流約為660 mA,持續(xù)時(shí)間為500 ns。因此,在圖4所示的配置中使用ADG5412F時(shí),8 kV IEC ESD電擊被衰減為不到1 kV的HBM ESD事件。這可以與下游器件的HBM ESD額定值相比較。
圖9.8 kV事件期間的漏極電壓和漏極(Dx)輸出電流
類似地,圖10顯示了在開關(guān)輸出端測(cè)得的電流,條件是將±16 kV IEC ESD氣隙放電脈沖施加于ADG5412F輸入端,采用54 V TVS (Bourns SMAJ54CA)和30 Ω串聯(lián)電阻。
圖10.16 kV氣隙放電事件期間的漏極電壓和漏極(Dx)輸出電流
在IEC ESD事件期間,在ADG5412F輸出端測(cè)得的峰值電流僅有680 mA,這幾乎與8 kV接觸放電測(cè)試結(jié)果相同。
電快速瞬變脈沖群(EFT)
EFT測(cè)試涉及將快速的瞬變脈沖群耦合到信號(hào)線上,以表征與外部開關(guān)電路關(guān)聯(lián)的瞬變干擾,這類電路能夠以容性方式耦合至信號(hào)線。這種測(cè)試反映了開關(guān)觸點(diǎn)抖動(dòng),或者因?yàn)楦行曰蛉菪载?fù)載切換而產(chǎn)生的瞬變,而所有這些在工業(yè)環(huán)境中都很常見。IEC 61000-4-4中定義的EFT測(cè)試嘗試模擬因?yàn)檫@些類型的事件產(chǎn)生的干擾。
圖11顯示了EFT波形。輸出波形由重復(fù)的5 kHz高電壓瞬變突波組成。突波間隔300 ms,每個(gè)突波持續(xù)時(shí)間為15 ms。每個(gè)脈沖具有5 ns的上升時(shí)間(tR)和50 ns的持續(xù)時(shí)間(tD),這些時(shí)間在波形的上升和下降沿的50%點(diǎn)之間測(cè)量。與ESD瞬變類似,單個(gè)EFT脈沖的特性也是快速上升時(shí)間和短脈沖寬度。單次脈沖的總能量類似于ESD脈沖。
IEC 61000-4-4規(guī)定這些快速突發(fā)瞬變通過容性箝位器耦合到輸入線路。EFT通過箝位器容性耦合到輸入線路,而不是直接接觸。為了在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中復(fù)制此耦合板,將一個(gè)0.5 μF耦合電容連接到IC輸入端。這是依照IEC 62215標(biāo)準(zhǔn),它是IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)的IC級(jí)版本。
將這些EFT脈沖施加于保護(hù)電路輸入端時(shí),會(huì)以類似ESD事件的方式抑制電流。經(jīng)過初始過沖后,4 kV EFT電壓被54 V TVS器件箝位,未導(dǎo)向TVS的大部分殘留電流被ADG5412F輸出端內(nèi)部的高可靠性的二極管帶走。對(duì)于每個(gè)突波中的每個(gè)脈沖,都會(huì)重復(fù)這個(gè)保護(hù)動(dòng)作。
圖11.IEC 61000-4-4 EFT波形
EFT測(cè)試,IEC61000-4-4
圖12顯示將±4 kV IEC EFT脈沖施加于ADG5412F器件輸入端,采用54 V TVS和30 Ω串聯(lián)電阻。在EFT突波的一個(gè)脈沖期間,輸出端測(cè)得的峰值電流僅有420 mA。
類似于ESD事件,該峰值電流脈寬大約60 ns,可以與HBM ESD事件相比較。750 V HBM ESD電擊的峰值電流約為500 mA,持續(xù)時(shí)間為500 ns。因此,在圖5所示的配置中使用ADG5412F時(shí),可將4 kV IEC EFT電擊衰減為不到750 V的HBM ESD事件,這是大部分現(xiàn)代IC都能承受的。
圖12.單次脈沖的EFT電流
浪涌
浪涌瞬變通常由開關(guān)操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關(guān)瞬變的起因可能是電力系統(tǒng)切換、配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障(例如安裝時(shí)與接地系統(tǒng)形成短路和電弧故障)。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些浪涌現(xiàn)象影響的情況下用于評(píng)估電子電氣設(shè)備抗擾度的波形、測(cè)試方法和測(cè)試級(jí)別。
標(biāo)準(zhǔn)的波形由波形發(fā)生器產(chǎn)生,用于表征開路電壓和短路電流事件。標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種波形。10 μs/700 μs組合波形用于測(cè)試要連接到對(duì)稱通信線路(如電話交換線路)的端口。1.2 μs/50 μs組合波形用于所有其他情形,特別是短距離信號(hào)連接。
圖13.IEC 61000-4-5浪涌1.2 μs/50 μs波形
圖13顯示1.2 μs/50 μs浪涌瞬變波形。ESD和EFT擁有類似的上升時(shí)間、脈沖寬度和能量級(jí)別。但是,浪涌脈沖的上升時(shí)間要慢得多(1.2 μs),持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)得多,脈沖寬度為50 μs,這兩個(gè)值均遠(yuǎn)大于ESD脈沖和EFT的單個(gè)脈沖。浪涌脈沖的能量級(jí)別可以比ESD或EFT脈沖能量級(jí)別高出三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,浪涌瞬變被認(rèn)為是最嚴(yán)苛的EMC瞬變規(guī)范。在浪涌事件期間,輸入端電壓被TVS器件箝位。由于浪涌事件持續(xù)時(shí)間為50 μs,因此具有OVP功能的開關(guān)有充足的時(shí)間作出反應(yīng),隔離下游電路。僅僅經(jīng)過500 ns,ADG5412F的OVP功能便將下游器件與瞬變隔離。事實(shí)上,這是將50 μs浪涌輸入變成500 ns脈沖,顯著降低傳輸?shù)较掠纹骷哪芰俊?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;" />
浪涌測(cè)試,IEC61000-4-5
將±4 kV浪涌脈沖施加于ADG5412F輸入端時(shí)(采用54 V TVS和30 Ω串聯(lián)電阻),輸出端測(cè)得的峰值電流為616 mA。
圖4所示的保護(hù)電路將具有潛在破壞性的長(zhǎng)時(shí)間高電流浪涌事件衰減成持續(xù)不到500 ns、峰值電流為608 mA的短時(shí)間事件。相比之下,1 kV HBM ESD事件的峰值電流約為660 mA,持續(xù)時(shí)間為500 ns。
圖14顯示了500 ns后的開關(guān)動(dòng)作,將漏極與浪涌事件隔離。
圖14.浪涌事件期間OVP工作原理
結(jié)論
本文討論的保護(hù)架構(gòu)顯示了如何利用ADG5412F并結(jié)合單個(gè)TVS器件和低值串聯(lián)電阻,保護(hù)系統(tǒng)輸入或輸出節(jié)點(diǎn)免受高達(dá)16 kV IEC ESD、4 kV EFT和4 kV浪涌瞬變電壓的影響。本應(yīng)用筆記還討論了所述的保護(hù)架構(gòu)如何將下游電路的保護(hù)需求降至僅相當(dāng)于1 kV HBM ESD的水平。此信息為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸入輸出保護(hù)電路并實(shí)現(xiàn)下列優(yōu)勢(shì)所需的知識(shí):
簡(jiǎn)化保護(hù)設(shè)計(jì)。
加速產(chǎn)品上市。
提高保護(hù)電路性能,因?yàn)樗璧姆至⒃p少。
減小信號(hào)路徑中的串聯(lián)電阻阻值。
由于TVS設(shè)計(jì)窗口很寬,TVS選擇更方便。
達(dá)到下列標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級(jí)保護(hù):
IEC61000-4-2 16 kV氣隙放電。
IEC61000-4-2 8 kV接觸放電。
IEC61000-4-4 4 kV。
IEC61000-4-5 4 kV。
交流和持續(xù)直流過壓保護(hù)高達(dá)±55 V。
掉電保護(hù)高達(dá)±55 V。
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