Использование ESD-диодов для ограничения уровней напряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2017

Paul Blanchard и Brian Pelletier, Analog Devices

Analog Dialogue

Когда усилитель может подвергаться внешним перенапряжениям, последней линией обороны, отделяющей его от электростатических разрядов, остаются ESD-диоды. Правильно понимая, как работает ESD-ячейка в устройстве, конструктор с помощью соответствующей схемы может значительно повысить уровень защищенности усилителя. Эта статья написана для того, чтобы познакомить читателей с различными типами цепей, используемых для защиты от электростатических разрядов, обсудить характеристики каждого варианта, и дать некоторые рекомендации, касающиеся использования этих ячеек для повышения надежности разрабатываемого устройства.

Введение

Во многих приложениях, где вход не управляется системой, а подключается к устройствам внешнего мира, например, к контрольно-измерительному оборудованию, приборам и некоторым датчикам, имеется вероятность того, что входные сигналы превысят максимально допустимое напряжение входного усилителя. В таких приложениях должны быть предусмотрены схемы защиты, чтобы сохранить диапазон выживаемости и надежность конструкции.

Иногда для ограничения уровня напряжения используются внутренние диоды защиты от электростатических разрядов (ESD-диоды) входных усилителей, но при этом необходимо учитывать множество факторов, чтобы быть уверенными, что эти диоды обеспечат достаточную и надежную защиту. Понимание различия архитектур цепей с ESD-диодами во входных усилителях, наряду с пониманием тепловых процессов и процессов электромиграции в конкретной схеме защиты, может помочь разработчику избежать проблем со схемами защиты и повысить срок службы приложений в реальных условиях эксплуатации.

Конфигурации схем с ESD-диодами

Важно понимать, что не все ESD-диоды являются просто диодными фиксаторами, подключенными к линиям питания и земле. Существует большое количество практически полезных схем, таких как цепочки из нескольких диодов, соединенных последовательно, из диодов и резисторов или из встречно включенных диодов. Некоторые наиболее распространенные схемы подробно описаны ниже.

Диод, подключенный к шине питания

На Рисунке 1 показан пример усилителя с диодами, подключенными между входами и шинами питания. В нормальном режиме работы диоды смещены в обратном направлении, но открываются, когда входное напряжение становится выше положительного напряжения питания или ниже отрицательного напряжения питания. Когда же диод смещается в прямом направлении, ток течет через входы усилителя в соответствующие шины питания.

Если напряжение превышает +V_S, то в случае схемы на Рисунке 1 входной ток не ограничивается самим усилителем, и нуждается во внешнем ограничителе в виде последовательного резистора. Когда напряжение опускается ниже –V_S, резистор 400 Ом обеспечивает некоторое ограничение тока, которое должно быть учтено в любых разработках.

Рисунок 1.	Топология входной цепи ESD-защиты усилителя AD8221.

На Рисунке 2 показан усилитель с аналогичной конфигурацией диодов, но в данном случае ток ограничивается внутренним последовательным резистором 2.2 кОм. От варианта на Рисунке 1 схема отличается не только величиной сопротивлений ограничивающих резисторов, но и тем, что резисторы 2.2 кОм способны обеспечить защиту от напряжений выше +V_S. Это один из примеров тонкостей, в которых надо хорошо разобраться, чтобы оптимизировать защиту при использовании ESD-диодов.

Рисунок 2.	Топология входной цепи ESD-защиты усилителя AD8250.

Токоограничивающие полевые транзисторы

В отличие от схем на Рисунках 1 и 2, токоограничивающие полевые транзисторы с управляющим P-N переходом (JFET) могут использоваться в составе микросхем в качестве альтернативы диодным фиксаторам. JFET, используемый в примере, показанном на Рисунке 3, защищает устройство, когда входное напряжение превышает допустимый диапазон. Благодаря входным JFET, обеспечивается защита от напряжений до 40 В. Поскольку JFET будут ограничивать ток, идущий во входные выводы, в качестве дополнительной защиты от повышенного напряжения ESD-ячейки использоваться не могут.

Рисунок 3.	Схема защиты входов усилителя AD8226.

Для защиты от напряжений до 40 В схема с JFET является хорошо управляемым, надежным и полностью документированным вариантом. В отличие от этого, при использовании защитных ESD-диодов информация о диодном ограничении тока часто приводится как типовая или, возможно, вовсе отсутствует.

Диодные цепочки

В приложениях, где входное напряжение может превышать напряжение источника питания или быть ниже потенциала земли, для защиты от электростатических разрядов использоваться диодные цепочки. На Рисунке 4 показан усилитель со схемой защиты, состоящей из цепочки последовательно соединенных диодов. В такой конфигурации диодная цепочка служит для защиты от отрицательных бросков напряжения. Эта цепочка диодов, прежде всего, предназначена для ограничения тока утечки в рабочем входном диапазоне, однако дополнительно она обеспечивает защиту от превышения отрицательного уровня синфазного напряжения. Имейте в виду, что ограничивающее действие диодной цепи определяется только последовательным сопротивлением диодов. Для уменьшения входного тока при заданном уровне напряжения может быть использовано внешнее последовательное сопротивление.

Рисунок 4.	Схема защиты входов усилителя AD8417.

Встречно включенные диоды

Встречное включение диодов также используется тогда, когда диапазон допустимых входных напряжений может превышать напряжение источника питания. На Рисунке 5 показан усилитель, в котором защиту устройства от ESD обеспечивают включенные встречно диоды, что позволяет ему выдерживать напряжение до 70 В при питании от источника 3.3 В. D4 и D5 – высоковольтные диоды, защищающие от высоких напряжений, которые могут присутствовать на входных линиях, а D1 и D2 используются для предотвращения появления токов утечки, когда входные напряжения еще находятся в пределах нормального рабочего диапазона. В подобной конфигурации использование этих ESD-ячеек для защиты от перенапряжений не рекомендуется, поскольку превышение максимального обратного смещения высоковольтного диода может легко привести к ситуации, которая станет причиной необратимого повреждения схемы.

Рисунок 5.	Схема защиты входов усилителя AD8418.

Устройства без ограничителей напряжения ESD

В некоторых устройствах элементов ESD на входах нет. Хотя очевидно, что при отсутствии встроенных ESD-диодов описанные выше подходы неприменимы, все же, как вариант защиты от перенапряжений, эта архитектура иногда рассматривается. На Рисунке 6 показано устройство, в котором для защиты усилителя используются только резисторы с большим сопротивлением.

Рисунок 6.	Схема защиты входов усилителя AD8479.

ESD-ячейки в качестве ограничителей уровня напряжения

Необходимо понимать не только то, как реализуются ESD-ячейки, но и как использовать эти структуры для защиты. В типичном приложении напряжения, выходящие за пределы допустимого диапазона, ограничивают последовательным резистором.

Рисунок 7.	Использование ESD-ячеек для ограничения уровней напряжения.

Когда усилители сконфигурированы так, как показано на Рисунке 7, или когда их входы защищены диодом, подключенным к питанию, входной ток ограничивается согласно следующей формуле:

(1)

I_D – ток диода,
V_STR – напряжение помехи,
V_SUP – напряжение источника питания,
R_PROT – сопротивление последовательного резистора защиты.

Формула 1 написана в предположении, что V_STR > V_SUP. Если это не так, следует более точно измерить напряжение на диоде и использовать результат в вычислениях вместо приближенного значения 0.7 В.

Рассмотрим пример расчета элемента защиты усилителя с источником питания ±15 В от бросков входного напряжения до ±120 В при заданном уровне ограничения входного тока 1 мА. Подставив эти параметры в Формулу 1, мы можем найти следующее:

(2)

(3)

С учетом этих требований сопротивление R_PROT, превышающее 105 кОм, будет ограничивать ток диода на уровне ниже 1 мА.

Понимание технологии ограничения тока

Максимальные значения I_D отличаются для разных компонентов, а также зависят от конкретных ситуаций, в которых возникают перегрузки. Максимально допустимый ток для продолжающегося миллисекунды единичного события будет совершенно не таким, как для случая, когда ток прикладывается постоянно в течение 20 и более лет эксплуатации устройства. Сведения по конкретным значениям токов можно найти в документации на усилители в разделе «Абсолютные предельные значения» или в указаниях по применению. Как правило, они находятся в диапазоне от 1 мА до 10 мА.

Виды отказов

Максимальный ток для конкретной схемы защиты, в конечном счете, будет ограничен двумя факторами: влиянием нагрева из-за рассеиваемой в диоде мощности и допустимым значением тока на пути его прохождения. Рассеиваемая мощность не должна превышать порога, ниже которого рабочая температура еще остается в пределах допустимого диапазона, а ток должен выбраться не выше разрешенного максимума, чтобы не допустить снижения надежности из-за электромиграции.

Последствия нагрева

При протекании тока через ESD-диоды их температура будет повышаться из-за рассеиваемой на них мощности. В большинстве справочных материалов на усилители указывается тепловое сопротивление (обычно обозначаемое Ө_JA), которое показывает, как будет увеличиваться температура перехода в зависимости от рассеиваемой мощности. Учет наихудшей температуры приложения и наибольшего повышения температуры кристалла, обусловленного рассеиванием мощности, даст оценку жизнеспособности схемы защиты.

Электромиграция

Даже тогда, когда ток диода не вызывает тепловых проблем, он все равно может быть причиной снижения надежности. Для любого пути электрического сигнала определена допустимая величина тока, превышение которой запускает механизмы электромиграции, сокращающей срок службы прибора. Электромиграционный порог для пути прохождения диодного тока, как правило, определяется шириной внутренних дорожек, с которыми соединяются диоды. Эта информация не всегда публикуется для усилителей, но ее необходимо учитывать, если диоды активны в течение длительного времени, а не только в моменты переходных процессов.

Примером проблем, создаваемых электромиграцией, может служить схема, в которой усилитель контролирует параметры внешнего источника, и, соответственно, соединен с шиной питания, независящей от питания усилителя. При этом возможны ситуации, когда некорректная последовательность включения источников питания приводит к появлению напряжений, временно превышающих максимально допустимые значения. Учитывая наихудший путь прохождения тока, время, в течение которого этот ток может быть активен, и понимая физическую природу ограничения максимально допустимого тока, можно избежать проблем с надежностью, обусловленных электромиграцией.

Заключение

Понимание того, как функционируют внутренние ESD-диоды во время электрических перенапряжений, может позволить сделать простые улучшения, чтобы повысить надежность конструкции. Исследование тепловых и электромиграционных процессов в схеме защиты может выявить потенциальные проблемы и показать, где может быть оправдано наличие дополнительной защиты. Учет описанных здесь условий позволит разработчикам сделать правильный выбор и избежать потенциальных проблем, связанных с надежностью в процессе реальной эксплуатации.

Материалы по теме