9.6 Protecting ADC with TVS Diode

您好！欢迎观看 TI高精度实验室系列 有关 ADC 电气过载的下一个视频。 在本视频中，我们将研究 如何使用背对背内部齐纳 ESD 二极管 以及 SCR 型 ESD 保护二极管来保护数据转换器。 当输入电压范围大于 ADC 的 电源电压范围时，这种保护方案 非常有用。 对于这种 ESD保护结构， 我们将使用外部 TVS 二极管 和电流缓冲电阻。 除了展示如何选择 保护器件的值外， 我们还将介绍它们对性能的影响。 此幻灯片显示了一个模拟前端， 该前端带有一个内部背对背齐纳二极管型 输入保护钳位。 在仔细研究该钳位之前， 让我们讨论一下为何简单的 ESD 二极管 不适合该器件。 请注意，该器件的输入电压范围为 正/负 10 伏，但模拟电源电压 仅为 5 伏。 对于 ESD 二极管，它用于连接输入 和电源，因此输入电压 始终钳制在电源电压 与二极管压降之和处。 如果此器件使用 ESD 二极管， 则输入电压将被钳制在 5.3 伏。 因此，很明显，当输入电压超出 电源轨时，我们需要使用不同类型的钳位。 这就是要使用背对背齐纳二极管结构的原因。 从左侧的 I-V 曲线可以看出， 在正/负 10 伏线性输入范围内， 钳位在高阻抗状态下不起作用。 如果出现过载信号， 钳位将在略高于正 15 伏 和略低于负 15 伏时开启。 请注意，这是一条典型曲线， 实际钳位电压 会因器件而异。 查看绝对最大额定值， 可以看到最大输入电压范围 为正/负 15 伏，最大输入电流范围 为正/负 10 毫安。 请务必注意，仅内部钳位 并不会将输入信号限制在绝对最大 额定电压以下。 因此，作为最佳实践， 建议使用外部钳位，在故障情况下 也会将信号限制在 15 伏以下。 尽管如此，一种常见的保护方法 是简单地限制输入电流 并依靠内部钳位来限制电压。 让我们在下一张幻灯片中快速了解一下。 当发生故障情况时，该电路使用 外部限流电阻来限制电流。 在此示例中，施加了 48 伏峰峰值 正弦过载信号，因此外部电阻器 两端的电压为 40 伏减去 15 伏 钳位电压。 除以 10 毫安的绝对最大输入电流， 可得最小串联限制电阻值 为 2.5 千欧姆。 为了增加一些设计裕度，我们选择使用了 一个更大的 3 千欧姆电阻。 使用示波器在模拟输入引脚上 测量此配置的结果， 示波器波形显示数据转换器的 输入限制为 正/负 18 伏左右。 如前所述，这稍微超出了 最大限值，但是对于瞬态 过载事件，这是保护器件的 有效方法。 另一方面，对于钳位可能 长时间打开的情况，不建议 使用此方法，因为这会 降低器件的性能和可靠性。 稍后，我们将介绍可用于 连续 EOS 故障的外部钳位电路。 不过，在继续之前， 让我们看一下电路的测量性能。 此幻灯片显示，ADS8588S 的 测量性能不受外部 3 千欧姆限流 电阻的影响。 在此测量中，ADC 以全采样率运行， 并且测量的性能 非常接近典型性能。 在下一张幻灯片中，我们将看到 使用更大的限流电阻器如何 影响性能。 此幻灯片显示了ADS8588S 数据表中的一张图， 该图展示了如何通过在输入端 增加一个外部串联电阻来降低 THD。 该串联电阻影响性能是因为 它与非线性输入电容相互作用， 从而使输入 信号失真。 这种非线性是由电容器的 大电压系数引起的。 正如您所期望的，随着输入电阻的 增加，输入电流减小， 从而保护了器件免受电气过载的影响。 在前面的幻灯片中，我们研究了 ADS8588S，它是一个具有模拟前端的 示例数据转换器，该模拟前端具有 一个内部背对背齐纳二极管钳位。 ADS8688 器件与之类似， 也具有集成的模拟前端， 该前端使用内部SCR 型 ESD 保护电路 来保护输入。 SCR 型 ESD保护仅用于 器件的电路外保护。 这意味着当器件未上电时， ESD 保护可在制造、测试和组装期间 保护器件。 这种类型的输入保护不能 在正常操作期间用于保护器件， 因为一旦触发，它将保持活动状态。 关闭此类保护的 唯一方法是重启器件电源。 例如，如果向输入端施加 短时 EOS 脉冲，则 SCR 保护电路 将触发并有效地使输入端对地短路。 SCR 保护将一直保持这种状态， 直到器件重新上电为止； 如果器件处于通电状态，而 SCR 保护处于触发状态，则器件 可能会遭受永久性、不可逆的损坏。 因此，不可能使用简单的限流电阻器 （有时与齐纳输入钳位器件一起使用） 来保护具有 SCR 型 输入保护的器件。 接下来，我们将看一个外部 钳位电路，该电路可用于保护带 SCR 输入 保护的 ADC。 此幻灯片显示了一种使用外部 双向 TVS 二极管和显示为 Rp 的 串联限流电阻的方案。 此类保护可用于背对背齐纳 二极管和 SCR 型输入保护。 这里的关键点是，外部电压需 钳制到可防止内部钳位开启的 电平。 例如，如果对输入端施加 48 伏的过载信号，并使用外部 双向 TVS 二极管，则输入端将被 钳制在 12 伏，并且限流电阻 RP 两端的 电压将下降 28 伏。 RP 的目的是确保流入 TVS 二极管的电流不会过高。 在过载事件期间，没有电流 流过 Rflt 或流入内部保护钳位。 在下一节中，我们将更深入地 了解如何根据其规格选择 最佳的 TVS 二极管，以及如何选择 外部电阻器和电容器。 首先提醒一下，我们将查看 双向 TVS二极管的规格。 双向 TVS 二极管实际上只是两个 连接在一起的背对背单向 TVS 二极管，因此它们具有相等的 正负击穿电压。 首先，反向击穿电压 VR 是 器件可以正常工作并仍保证低泄漏的 电压范围。 右侧的特性曲线表明， 反向关断电压范围是器件的 最大线性输入 电压范围。 如果信号超出反向关断电压范围， 则泄漏将增加，TVS 二极管 最终将被击穿。 为了保护 ADC 的输入，TVS 二极管的 击穿电压不应低于 ADC 的绝对 最大额定值。 例如，如果 ADC 的绝对最大额定值 为正/负 15 伏，则击穿电压 应稍低一些，例如正/负 12 伏。 为了保护 ADC 的输入，TVS 二极管的 击穿电压应低于 ADC 的绝对 最大额定值。 此幻灯片介绍了一个选用 TVS 二极管 来保护 ADS8588S 的示例。 首先请注意，ADS8588S 的正常输入 信号范围是正/负 10 伏，因此 我们应该找到一个最小反向隔离电压为 10 伏的 TVS 二极管。 接下来，请注意，ADS8588S 的绝对最大 输入电压为正/负 15 伏， 因此最大击穿电压应低于 15 伏。 SMCJ10CA 满足这两个标准， 因此它是一个合适的TVS 保护器件。 其他需要考虑的规格包括泄漏电流、 峰值功率耗散和反向电容。 当泄漏电流通过保护 电阻器时，它将转换为 失调电压。 如果大瞬态电流可以流过 TVS 二极管， 则功率耗散将是最重要的指标。 由于我们的设计采用了一个串联限流电阻， 因此这种情况不太可能发生。 虽然表中未显示电容， 但通常可以在TVS 二极管数据表的 图表中找到它。 从失真性能的角度来看， 最大限度地减小此电容的大小非常重要。 我们将在接下来的几张幻灯片中对此进行详细介绍。 在此幻灯片中，我们将为前面 几张幻灯片中介绍的 SMCJ10CA TVS 二极管和 ADS8588S 设计选择一个串联 限流电阻。 电阻器的目的是限制流入 TVS 二极管的电流，从而限制外部 电阻器和TVS 二极管的 功率耗散。 要理解的一个关键点是，峰值功耗是指 器件可以承受的毫秒级功率耗散， 而稳态功耗是指器件可以承受的连续 直流信号的功率耗散。 我们将设计一个可承受连续 40 伏直流 故障输入电压的电路。 首先，让我们选择一个能够限制 故障电流的电阻，以使该电阻的 最大功耗小于 1 瓦。 当最大电压跨接在电阻上时， 就会发生这种情况，电阻可通过 将最大输入电压减去 TVS 二极管 两端的最小电压计算得出。 使用此电压平方除以功率可得出 RP 的最小保护电阻值为 835 欧姆。 为了保持设计裕度，我们将电阻值 从 835 欧姆向上舍入到 1 千欧姆。 使用此电阻值，我们可以计算出 故障期间的最大电流， 在本例中为 29 毫安。 最后，我们可以使用 TVS、VC 上的 最大电流和最大电压来计算 TVS 二极管中的功耗。 请注意，这是一种非常保守的方法， TVS 两端的实际电压 应远小于 VC，因为通过它的电流 比最大电流低。 在此示例中，计算出的最大 TVS 功率为 491 毫瓦，这大大低于 5 瓦 稳态额定功率。 因此，在此示例中，在故障期间 电阻器的功耗约为 1 瓦， TVS 的功耗约为 0.5 瓦。 这种功耗值相当高， 需要一个功率电阻器。 您可以选择使用更大的串联电阻来最小化 所需的额定功率。 但是，正如我们即将看到的一样， 串联电阻的大小对整体性能有很大影响。 在检查性能之前，我们需要选择 Rflt 和 Cflt 的值。通常， 采用这种保护时，ADC 内部保护钳位 应保持关断状态，因为外部 TVS 上的 击穿电压远低于内部钳位 击穿电压。 在本示例中，外部 TVS 二极管 在最坏情况下的击穿电压约为 12.3 伏， 而内部钳位的导通电压为 15 至 16 伏。 但是，如果输入端出现非常大的 瞬态故障，则可能会有非常大的电流 流过 TVS 二极管。 如此大的瞬态电流可能会使 TVS 两端的 电压升高至内部钳位电路可导通的程度。 在这种情况下，必须确保 电阻器 Rflt 可以将 ADC 输入电流 限制在 10 毫安以下。 看看左侧的数字， 可以看到 ADC 的绝对最大输入 电压为正/负 15 伏， 最大输入电流为正/负 10 毫安。 对于 TVS 二极管，当 88.3 安培的 电流流过时，它的最大电压为 17 伏。 请注意，此大型峰值电流 只能在短时间内流动，但在这段时间内， 内部输入钳位电路可能会导通。 假设 TVS 上的最大电压为 17 伏， 内部钳位电路在 15 伏时导通， 则可以计算出Rflt 的最小电阻值 至少为 200 欧姆。 在这种情况下，它会四舍五入到 1 千欧姆。 通常将电容 Cflt选择为 1 纳法拉， 因为这是标准输入电容， 可最大程度地减小RFI 拾取对输入的影响。 可以对 Rflt 的值进行调节 以选择不同的输入截止频率。 现在我们已经选择了所有器件， 让我们检查一下电路的性能。 此幻灯片显示了示例电路测得的 FFT 和 AC 性能指标， 称为基波附近的大谐波。 还要注意，测得的 THD 为 负 69.6dB，而数据转换器的典型 THD 为负 110dB。 这些测量结果都是在 1kHz 输入 信号的全采样率下完成的。 此保护示例的外部器件 大大降低了系统的 失真性能。 在下一张幻灯片中，我们将探讨这种失真的 根本原因。 使用 TVS 型输入保护时， 输入信号会失真的主要原因是 TVS 二极管的反向电容具有 较大的电压系数。 这意味着随着输入信号电压的变化， TVS 二极管两端的电容也将变化。 输入保护电阻 RP和 TVS 二极管的 反向电容将形成一个低通滤波器。 由于二极管电容会随输入信号而变化， 因此该输入滤波器的衰减 会随输入电压 而变化。 因此，信号峰值处的 衰减不同于 0 伏附近的衰减。 峰值处的衰减会使信号的形状失真 并降低 THD 性能。 明白了 TVS 二极管的电容会对失真 有很大影响后， 让我们比较具有不同 电容规格的多个 TVS二极管的测量结果。 此表比较了三种具有不同 电容值的二极管。 第一个是我们在前面的示例中使用的器件。 这是一种非常常用的 TVS 器件， 其电容范围为2.3 纳法拉 至 10 纳法拉。 使用该器件时，ADC 的 THD 为 负 69.6dB， 大大低于ADS8588S 的 负 110dB 典型规格。 另外两个器件显示，其性能随着电容的 减小而提高。 本视频到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成测验以检查您对本视频 内容的理解。 问题 1. 对于下面的电路，在连续 53 伏 过载输入电压下RP 消耗的功率 是多少？ 正确的答案是 C，0.8 瓦。 用 53 伏输入信号减去 13 伏的 压降得出 2 千欧姆电阻两端电压为 40 伏。 40 伏的平方除以 2 千欧姆，可得出答案为 0.8 瓦。 问题 2，判断正/误。 限流电阻器可在带有内部背对背 齐纳 ESD 单元的器件中用作输入保护。 正确答案是 A，正确。 对于具有内部背对背齐纳二极管的器件， 简单的串联电阻可提供基本保护。 在可能发生连续或多次重复故障的情况下， 建议使用额外的外部齐纳二极管。 问题 3，判断正/误。 限流电阻器可以用作输入保护 并可保护带有内部 SCR 型 ESD 单元的器件吗？ 正确答案是 B，错误。 对于 SCR 型输入保护， 切不可在通电时 触发该保护。 因此，对于这种类型的内部 ESD 输入保护， 应始终使用外部TVS 二极管来避免 触发内部 SCR。 问题 4，使用带有 TVS 二极管的 串联电阻会导致的主要性能限制是什么？ 正确答案是 A。非线性 二极管电容和串联电阻会产生失真。 TVS 二极管上的 电容具有较大的电压系数。 当此电容与输入电阻相互作用时， 它会产生一个截止频率 随输入振幅而变化的滤波器。 这会有效地使输入信号失真。 问题 5，判断正/误。 负载电容 TVS 二极管可用于降低 THD。 正确答案是 A，正确。 在演示中，我们对THD 性能与低电容 和高电容 TVS二极管进行了比较。 低电容 TVS 二极管具有更好的 THD 性能， 但额定功率可能不高。 问题 6，应使用哪种 TVS 二极管 保护正/负 12V输入范围？ 正确的答案是 C。双向， 关断电压等于 12 伏。 由于信号既有正也有负， 因此需要一个双向二极管。 关断电压是可用的输入范围， 因此关断电压应设置为 12 伏或更高。