12.1 TI 高精度实验室 - 运算放大器：电气过应力 (EOS) 1

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程开始

我们将讨论电气过应力

Electrical Overstress

在本次课程中

我们将讨论电气过应力的成因

并介绍几种可以提高

电路可靠性的抗电气过应力的方法

课程中所有的例子

都是基于运算放大器的

但是这几种方法

也可以用于其他的器件

在接下来的几个课程中

我们会详细的说明

如何去选择器件参数

以及用来确认电气过应力

是否可靠的测试方法

首先我们先来对比下 ESD 和 EOS

我们在另一个 TIPL1401 的

ESD 的课程中讨论过了 ESD

ESD 也就是静电放电

它是一种在两个带相反电荷的

物体之间突发的电荷流动

ESD 是一个短时的事件

通长在纳秒的级别

ESD 的电压会很高

可以高达几千伏

脉冲上升下降沿都非常陡峭

电路在组装前和组装后

均有可能会发生 ESD 损坏

EOS 也就是电气过应力

会在外部加压超过芯片规定的

绝对最大电压值的情况下发生

EOS 是一个长时间的事件

它可能会是毫秒级数秒级

或者是持续的过压

通常 EOS 的电压水平

会比 ESD 的电压低

事实上很可能只是刚好超过

芯片规定的最大绝对耐受电压

例如一个芯片规定绝对最大值电压为 7V

但是当施加十伏的电压作用于芯片上时

将会导致芯片的 EOS 损坏

让我们以一个放大器的 EOS 事件为例

在这个例子中

放大器的供电为单五伏的供电

请注意

该例中五伏电源

是通过五伏输出的线性稳压器

也就是 LDO 来提供的

该电路的放大器的最大电源电压为五伏

但是放大器的输入端

连接了 15V 的过压这个过压

导致了 D3 的二极管导通

电流流过电源引脚和内部电流吸收电路

这样导致放大器的电源引脚电压升至 14.3V

这是由于线性稳压器不能吸收电流

因此不能再调节其输出电压导致的

在实际上这种情况下

LDO 输出端可以视为开路

这个 14.3V 的电压

超过了放大器的绝对最大值

在这种情况下

放大器内部的吸收电路会导通

以尽量保持电压

在绝对最大值的电压以下

一旦内部吸收电路导通

它会在断电之前一直导通

在这个模式下

内部吸收电路的导通阻抗很低

并且也会从 LDO 抽取大量的电流

这个大的电流会产生大量的热量

从而通常会导致芯片的损坏

TVS 也就是瞬态电压抑制二极管

是作为 EOS 防护最常用的一种器件之一

TVS 管类似于稳压二极管

但是可以支持更快地导通

和吸收更多的瞬态能量

右下角我们给出了TVS管的

电流电压特性曲线

并且在曲线上标注了几个关键参数的位置

在曲线图的右侧

正向导通压降 VF

定义为在正向电流 IF 的情况下的导通电压

曲线图的左侧是反向截止电压 VR

以及对应该电压的反向漏电流 IR

反向截止电压

规定了低漏电流情况下

所以允许加的最大的反向电压

也就是 TVS 管的关断状态

反向击穿电压 VBR

是 TVS 管开始反向导通并接近钳位的点

最后一个参数钳位电压 VC

是当 TVS 所允许的最大反向电流

Ipp 出现情况下 TVS 管上的反向电压

现在我们还是采用与之前一样的电路

区别在于现在在电源的引脚上

放置了一颗 TVS 管

放置了一颗 TVS 管

并且在运放输入端串入了一个电阻

来保护放大器免遭 EOS 损坏

在这种情况下

当时 15V 过压施加到运放的输入端时

内部 ESD 的二极管D3正向导通

并将过压引入到电源引脚上的 TVS 管上

这个 TVS 二极管将这个过压电压

钳位到了 7V

避免内部吸收电路的导通

与此同时运放输入端

串入了 1k 欧姆电阻

起到了限流的作用

将电流限制在了十毫安以内

以避免运放损坏

请记住十毫安是这个放大器

规定的绝对最大输入电流

这是最常用的半导体的 EOS 保护方式

在某些情况下

上电顺序不当

也有可能会导致芯片的损坏

上图这个例子给出的

是一个双电源放大器的上电实例

在这个系统中

先上电 +15 伏

后上电 -15 伏

在某段时间内 +15 伏的电源

已经准备好

而 -15伏 的电源轨处于悬浮状态

因此在正电源轨到负电源轨之间

没有正常的电流泄流回路

所以电流会找到运放内部的

寄生通道来泄流

这很有可能会导致芯片

进入非正常的工作模式

器件可能会消耗过度的电流

并且工作异常

现在我们在运放的正电源轨

和负电源轨均放置一颗 TVS 管

在正常情况下

TVS 管 D6 是反向偏置的

可是在上电过程中

这个 TVS 管会正向导通

以提供从正电源轨

到负电源轨的泄流回路

这就避免了放大器进入到

异常的工作模式中

而一旦负电源轨的供电正常

D6 就开始反偏

运放开始进入正常的工作状态

另一种用来保护器件输入的

非常有用的技术

是放置于内部 ESD 二极管并联的

外部保护二极管

在理想情况下

外部保护二极管的正向导通压降

应该要低于内部

ESD 保护二极管的正向导通压降

以确保大部分的 EOS 电流

流过外部的保护二极管

基于这个原因

通常会选择较低导通压降的 0.3 伏的

肖特基二极管来作为外部保护二极管

不幸的是肖特基二极管

有很大的漏电流

甚至会达到微安的级别

所以并不是各种情况下

都能够选用肖特基二极管的

再要求低漏电流的情况下

就需要选用其它低漏电的

芯片保护二极管

是需要注意的是在这个例子中

因为只有输入端口连接到外部世界

所以只需要保护输入端口

放大器的输出

是连接到 pcb 板子的内部电路的

例如放大器的输入

可能要连接到远处的传感器

而运放的输出

要连接到数据转换器

或者另一个放大器

通常情况下

外部连接相较于系统内晶片的

脚位内部连接更容易遭受 EOS 损坏

例如长的传感器引线

可能会产生大的电荷积累

和释放而导致 EOS 事件

而不恰当的外部接线

和其他地方引入的大的电压

也可能会导致 EOS 的损坏

如果运放的输出接至系统外

同样的肖特基二极管的保护线路

也可以使用在运放的输出端

关于输出端保护的另一个关键点

是输出串联电阻 RP

将会很大程度上

限制放大器的输出电压摆幅

这个限制取决于输出负载的电流

因此更高功率的放大器

需要更低的串联电阻 RP

对于大部分的放大器而言

10 到 20 欧姆的串联电阻

是非常常用的

需要注意的是在这个电路中

RP 在反馈环里面

尽管电阻在 RP 上有压降

通过闭环反馈之后

却仍然可以得到

比较高精度的输出电压

最后需要注意的是

由于 RF 通常远远大于 RP

因此流过反馈电阻 RF

到运放输入端的电流就很小

以上就是本次课程的内容

非常感谢您的观看

请准备好下面的一个小测试

来看看您是否已经掌握好本次课程的内容

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程开始

我们将讨论电气过应力

Electrical Overstress

在本次课程中

我们将讨论电气过应力的成因

并介绍几种可以提高

电路可靠性的抗电气过应力的方法

课程中所有的例子

都是基于运算放大器的

但是这几种方法

也可以用于其他的器件

在接下来的几个课程中

我们会详细的说明

如何去选择器件参数

以及用来确认电气过应力

是否可靠的测试方法

首先我们先来对比下 ESD 和 EOS

我们在另一个 TIPL1401 的

ESD 的课程中讨论过了 ESD

ESD 也就是静电放电

它是一种在两个带相反电荷的

物体之间突发的电荷流动

ESD 是一个短时的事件

通长在纳秒的级别

ESD 的电压会很高

可以高达几千伏

脉冲上升下降沿都非常陡峭

电路在组装前和组装后

均有可能会发生 ESD 损坏

EOS 也就是电气过应力

会在外部加压超过芯片规定的

绝对最大电压值的情况下发生

EOS 是一个长时间的事件

它可能会是毫秒级数秒级

或者是持续的过压

通常 EOS 的电压水平

会比 ESD 的电压低

事实上很可能只是刚好超过

芯片规定的最大绝对耐受电压

例如一个芯片规定绝对最大值电压为 7V

但是当施加十伏的电压作用于芯片上时

将会导致芯片的 EOS 损坏

让我们以一个放大器的 EOS 事件为例

在这个例子中

放大器的供电为单五伏的供电

请注意

该例中五伏电源

是通过五伏输出的线性稳压器

也就是 LDO 来提供的

该电路的放大器的最大电源电压为五伏

但是放大器的输入端

连接了 15V 的过压这个过压

导致了 D3 的二极管导通

电流流过电源引脚和内部电流吸收电路

这样导致放大器的电源引脚电压升至 14.3V

这是由于线性稳压器不能吸收电流

因此不能再调节其输出电压导致的

在实际上这种情况下

LDO 输出端可以视为开路

这个 14.3V 的电压

超过了放大器的绝对最大值

在这种情况下

放大器内部的吸收电路会导通

以尽量保持电压

在绝对最大值的电压以下

一旦内部吸收电路导通

它会在断电之前一直导通

在这个模式下

内部吸收电路的导通阻抗很低

并且也会从 LDO 抽取大量的电流

这个大的电流会产生大量的热量

从而通常会导致芯片的损坏

TVS 也就是瞬态电压抑制二极管

是作为 EOS 防护最常用的一种器件之一

TVS 管类似于稳压二极管

但是可以支持更快地导通

和吸收更多的瞬态能量

右下角我们给出了TVS管的

电流电压特性曲线

并且在曲线上标注了几个关键参数的位置

在曲线图的右侧

正向导通压降 VF

定义为在正向电流 IF 的情况下的导通电压

曲线图的左侧是反向截止电压 VR

以及对应该电压的反向漏电流 IR

反向截止电压

规定了低漏电流情况下

所以允许加的最大的反向电压

也就是 TVS 管的关断状态

反向击穿电压 VBR

是 TVS 管开始反向导通并接近钳位的点

最后一个参数钳位电压 VC

是当 TVS 所允许的最大反向电流

Ipp 出现情况下 TVS 管上的反向电压

现在我们还是采用与之前一样的电路

区别在于现在在电源的引脚上

放置了一颗 TVS 管

放置了一颗 TVS 管

并且在运放输入端串入了一个电阻

来保护放大器免遭 EOS 损坏

在这种情况下

当时 15V 过压施加到运放的输入端时

内部 ESD 的二极管D3正向导通

并将过压引入到电源引脚上的 TVS 管上

这个 TVS 二极管将这个过压电压

钳位到了 7V

避免内部吸收电路的导通

与此同时运放输入端

串入了 1k 欧姆电阻

起到了限流的作用

将电流限制在了十毫安以内

以避免运放损坏

请记住十毫安是这个放大器

规定的绝对最大输入电流

这是最常用的半导体的 EOS 保护方式

在某些情况下

上电顺序不当

也有可能会导致芯片的损坏

上图这个例子给出的

是一个双电源放大器的上电实例

在这个系统中

先上电 +15 伏

后上电 -15 伏

在某段时间内 +15 伏的电源

已经准备好

而 -15伏 的电源轨处于悬浮状态

因此在正电源轨到负电源轨之间

没有正常的电流泄流回路

所以电流会找到运放内部的

寄生通道来泄流

这很有可能会导致芯片

进入非正常的工作模式

器件可能会消耗过度的电流

并且工作异常

现在我们在运放的正电源轨

和负电源轨均放置一颗 TVS 管

在正常情况下

TVS 管 D6 是反向偏置的

可是在上电过程中

这个 TVS 管会正向导通

以提供从正电源轨

到负电源轨的泄流回路

这就避免了放大器进入到

异常的工作模式中

而一旦负电源轨的供电正常

D6 就开始反偏

运放开始进入正常的工作状态

另一种用来保护器件输入的

非常有用的技术

是放置于内部 ESD 二极管并联的

外部保护二极管

在理想情况下

外部保护二极管的正向导通压降

应该要低于内部

ESD 保护二极管的正向导通压降

以确保大部分的 EOS 电流

流过外部的保护二极管

基于这个原因

通常会选择较低导通压降的 0.3 伏的

肖特基二极管来作为外部保护二极管

不幸的是肖特基二极管

有很大的漏电流

甚至会达到微安的级别

所以并不是各种情况下

都能够选用肖特基二极管的

再要求低漏电流的情况下

就需要选用其它低漏电的

芯片保护二极管

是需要注意的是在这个例子中

因为只有输入端口连接到外部世界

所以只需要保护输入端口

放大器的输出

是连接到 pcb 板子的内部电路的

例如放大器的输入

可能要连接到远处的传感器

而运放的输出

要连接到数据转换器

或者另一个放大器

通常情况下

外部连接相较于系统内晶片的

脚位内部连接更容易遭受 EOS 损坏

例如长的传感器引线

可能会产生大的电荷积累

和释放而导致 EOS 事件

而不恰当的外部接线

和其他地方引入的大的电压

也可能会导致 EOS 的损坏

如果运放的输出接至系统外

同样的肖特基二极管的保护线路

也可以使用在运放的输出端

关于输出端保护的另一个关键点

是输出串联电阻 RP

将会很大程度上

限制放大器的输出电压摆幅

这个限制取决于输出负载的电流

因此更高功率的放大器

需要更低的串联电阻 RP

对于大部分的放大器而言

10 到 20 欧姆的串联电阻

是非常常用的

需要注意的是在这个电路中

RP 在反馈环里面

尽管电阻在 RP 上有压降

通过闭环反馈之后

却仍然可以得到

比较高精度的输出电压

最后需要注意的是

由于 RF 通常远远大于 RP

因此流过反馈电阻 RF

到运放输入端的电流就很小

以上就是本次课程的内容

非常感谢您的观看

请准备好下面的一个小测试

来看看您是否已经掌握好本次课程的内容