9.1 ADC上的 EOS 和 ESD

你好，欢迎来到TI精密实验室系列， 这个系列是关于保护ADC免受电气过应力。 本系列的目标是介绍 使用外部组件保护基于ADC的 系统的方法。 此外，该系列将量化 保护组件对性能的影响 以及如何最小化这种影响。 本视频首先介绍 电气过应力，简称EOS， 和静电放电，也称为ESD。 我们将研究EOS和ESD之间的差异， 以及EOS的潜在来源。 我们还将展示数据转换器中 使用的不同内部ESD结构，并简要介绍 其操作和限制。 首先，让我们比较ESD和EOS。 ESD，又称静电放电是两个带相反电荷的 物体之间静电荷的突然流动或放电。 ESD是一个非常短的事件， 通常在纳秒范围内。 ESD事件的电压幅度 非常高在千伏范围内 并且脉冲可以具有非常快的边缘。 ESD损坏可能发生在电路中和/或电路外。 当施加的电压超过器件的 绝对最大额定值时，会发生EOS， 又称电气过应力。 与ESD事件相比，EOS事件 具有更长的持续时间。 它可能是毫秒，秒，甚至是连续施加的 过应力电压。 并且电压水平通常低于 ESD事件的电压水平。 实际上，它可能刚刚超过该设备的 绝对最大额定值。 例如，对绝对最大额定值 为7伏的设备施加10伏电压 将导致EOS损坏。 在这里，我们将介绍一些可以 创建EOS条件的常见故障类型。 一个可能的错误是恶劣的电气环境。 例如，电动机和发电机 可以产生强电磁场， 可以具有产生大故障 电压的感应反冲。 对于具有高压电源的系统， 在某些情况下，低压设备 可能无意中连接到 高压电源。 例如，连接到5伏数据转换器的 15伏电源的放大器有可能 产生过压事件。 本系列将详细介绍这些类型的电路。 如果根据数据表未遵循电源初始化顺序， 某些设备可能会损坏。 将印刷电路板插入电源插座 称为热插拔。 这可能导致电气过载， 因为当板边缘连接器与电插座 接触时可能发生瞬变。 当在电源供电之前为放大器 或数据转换器输入供电时， 会发生一种非常常见的电过载。 另一种常见的电过应力问题 是将负输入信号应用于单极器件。 当输入线反转或接线错误时 也会发生这种情况。 由于错误接线， 也可能发生反向电源连接， 例如向后连接正电源和负电源。 除了这些常见问题之外， 还有许多其他方法可以破坏设备。 数据表中的绝对最大规格 用于定义可以在不损坏设备的情况下 操作设备的条件。 本演示将解释如何 理解绝对最大规格 并提供可防止EOS和ESD损坏的 电路设计技术。 此外，我们将重点关注 保护电路对系统性能的影响。 最终目标是保护器件 免受EOS和ESD影响，同时对性能影响最小。 此幻灯片显示了 三种防止ESD的不同方法的内部图。 需要强调的关键点是 它们位于器件内部， 旨在防止电路外ESD事件。 在某些情况下，这些内部ESD保护结构 可用于帮助防止电过载。 但总的来说，将需要外部组件。 第一种也是最常见的ESD结构 是内部输入转向二极管。 输入转向二极管将采用 施加到输入的ESD信号 并将其重定向到电源。 另一种类型的输入保护结构 是背靠背齐纳二极管。 当输入电压处于正常工作范围时， 这种类型的输入结构将保持关闭状态， 并且当输入信号接近器件的绝对最大额定值时， 该输入结构将导通。 当器件的输入范围宽于 电源电压时，这种类型的 输入结构特别有用。 最后一种输入ESD保护方案 是基于SCR的保护结构。 与钳位输入保护结构类似， SCR输入保护结构 将在某个电压电平触发， 以将ESD脉冲引导至地。 然而，与钳位输入保护结构不同， SCR输入保护结构 将保持触发到低阻抗状态， 直到电源在器件上循环。 提醒一下，当输入电压范围 大于电源时，最常使用 SCR输入保护结构。 这张幻灯片只是这些输入保护结构的 简短介绍。 在本演示文稿的后面部分， 我们将提供有关这些电路 其工作特性以及 这些结构如何与外部元件一起使用 以防止过应力的更详细描述。 该幻灯片提供了有关基于SCR的ESD保护结构的 更多细节。 严格地说，该器件的半导体操作细节 对于有效的过应力保护 和你的系统并不重要，超出了 本演示的范围。 在这里，我们将简要介绍 基于SCR的ESD保护结构操作 以及对系统过应力保护 非常重要的一些关键细节。 这里示出了SCR结构的横截面 和等效示意图。 它被称为SCR，因为它的作用类似于可控硅 整流器。 一旦它被触发， 它就会进入低阻抗状态， 并一直触发，直到电源循环。 可以通过施加到输入的过冲或下冲EOS信号 来触发该结构。 一旦触发，它就会进入闩锁状态 并保持此状态，直到电源 关闭。 右侧所示的IV曲线说明了 SCR结构的操作。 首先，随着电压的增加， 其阻抗保持相对较高。 请注意，从0伏施加到阈值电压VT的 电压，通过器件的电流很低。 一旦超过阈值电压VT，SCR就会 触发并且阻抗 显着降低。 这导致电压快速恢复或受到限制。 增加低阻抗器件上的电压 将导致非常高的电流。 该器件的目的是在制造和组装过程中 保护数据转换器免受ESD损坏。 但是在加电时保护成品 是没有用的。 因此，如果数据转换器通电 并且该ESD结构被触发， 则它将从电源汲取大电流 并可能损坏器件。 此外，触发的SCR结构 将保持打开，直到电源 在设备上循环。 因此，在使用具有SCR ESD结构的 器件时，使用外部保护 来确保内部ESD器件永远不会触发 是非常重要的。 在本演示的后面部分，我们 将介绍如何使用外部TVS二极管 来防止触发内部SCR结构。 你可能想知道为什么我们会使用SCR类型 输入保护结构。 使用这些保护结构的主要原因 是它们非常适用于 输入电压范围大于电源的应用。 你可能还记得，在传统ESD二极管的情况下 输入电压范围仅限于 电源加上二极管压降。 例如，当使用传统的ESD二极管时， 如果电源为5伏，则输入范围 限制为5.3伏。 这对于输入范围 为12伏但电源仅为5伏的系统不起作用。 有时使用SCR结构的另一个原因是 触发的阻抗非常低。 因此保持电压也非常低。 因此，SCR输入结构 在防止用于非电路状况的ESD方面 非常有效。 然而，当设备通电时， 结构可能是一个问题， 因为你不希望在应用电源时意外 触发它。 该幻灯片显示了两个常见ADC输入结构的 详细信息，包括输入保护和采样 和保持RC电路。 此信息通常可在数据表的 应用部分中找到。 两个输入保护结构之间的主要区别在于， 在左侧所示的情况下， ESD二极管连接到电压参考， 而对于右侧的情况， 二极管连接到AVDD。 这些输入的绝对最大额定值 允许输入摆幅比电源或参考电压高0.3伏， 低于地电压-0.3伏。 只要输入信号被限制在器件的 绝对最大额定值，ESD二极管 就不会在过程和/或温度变化时导通。 绝对最大额定值的另一个方面 是将输入电流限制为小于正/负10 毫安。 本规范假设ESD二极管导通， 并要求电流限制在10毫安 以下。 通常认为，如果绝对最大额定电压 超过几百毫伏， 则可以通过将电流限制为小于10毫安 来避免损坏。 因此，例如，对于5伏电源， 向输入施加5.4伏电压将违反 绝对最大电压规范。 在这种情况下，如果输入电流 限制在10毫安以下， 则不应损坏器件。 通过外部二极管限制输入电流 来保护器件是一种常见而简单的 过应力保护方法。 我们稍后会详细讨论这个问题。 此幻灯片显示了ADC输入 过驱动如何打开ESD二极管并影响参考电压。 对于此示例，电压参考为5伏。 因此，输入的绝对最大值 设置为-0.3伏至5.3伏， 以避免打开ESD二极管。 该示例中的输入从-0.8伏特摆动到4.06伏特。 因此绝对最大额定值不会 受到4.06伏正摆幅的影响， 但会受到-0.8伏负摆幅的影响。 对于超过-0.3伏的信号的负部分， ESD二极管导通并馈入 电压参考。 请注意，即使在过载信号被移除后， 电压参考也需要一些时间才能恢复。 如果可能的话，应该避免这种过载信号。 但是在确实发生这种情况的情况下， 确保输入电流限制 在小于正负10毫安是很重要的， 以避免损坏器件。 本幻灯片的一个关键点是强调 过载信号不仅会影响ADC， 还会反馈到参考电压。 本幻灯片说明了具有集成模拟前端 或AFE的ADC常用的 输入保护类型。 在这种类型的ADC的情况下， 电源电压通常为5伏。 但输入电压范围也可以 是正/负10或12伏。 由于输入电压大于电源电压， 因此无法在输入和电源之间 使用简单的ESD二极管。 对于此类产品，有两种特殊的ESD保护器件 可以在特定的电压电平下触发。 一种是背靠背齐纳二极管结构。 这种类型的结构将在大约正/负 15伏电压下导通，并将电压限制在恒定电平， 类似于齐纳二极管。 当瞬态故障电压施加到齐纳型输入钳位时， 故障期间故障电压 将受到限制，故障后运行 将恢复正常。另一方面， 当将故障电压施加到SCR型ESD保护结构时， SCR钳位将导通 并保持触发直到电源循环。 例如，在ADS8688上，如果25伏故障信号 施加到输入一毫秒， 输入保护将触发。 无论输入信号电平如何， 该输入保护电路都将保持触发， 直到电源循环。 因此，SCR型ESD保护实际上 仅用于电路外ESD保护。 在设备通电时，避免触发 此类ESD保护非常重要。 另一方面，触发背靠背齐纳型电路 将在故障消除后恢复，而不会 使电源循环。 因此，这种类型的输入保护 可用于防止瞬态电过载 事件。 这就结束了视频系列的理论部分。 谢谢你的收看。 继续观看测试并检查 你对此视频内容的理解。 对于下面所示的电路， 哪种内部ESD结构不实用？ 正确的答案是A，输入ESD控制二极管。 这些二极管对于该电路不实用， 因为输入电压为10伏， 电源电压为5伏。 ESD二极管仅在输入范围 与电源相同或更小时使用。 正确还是错误，内部ESD保护结构 主要是为了在组装和测试期间 保护器件而设计的？ 一个例子，电路外事件。 正确的答案是“正确”。 内部ESD结构主要 用于在器件的制造，组装和 测试期间保护器件。 这意味着ESD结构设计为在不通电的 情况下工作。 在电源循环之前，哪种类型的ESD结构 会触发并保持开启状态？ 正确的答案是C，SCR型ESD结构。 如前所述，内置ESD保护设计 为无需电源即可工作。 通电后，触发设备 可能会产生闩锁情况。 以下哪项不适用于ESD？ 正确的答案是C，持续时间 为毫秒或更长的事件。 通常，ESD事件是非常短的纳秒级事件， 具有高电压和快速边沿。 对于下面的电路，最大输入电压是多少？ 正确的答案是B，5.3伏特。 这是参考电压加上内部二极管压降。 请注意，二极管压降的0.3伏特