12.4 TI 高精度实验室 - 运算放大器：电气过应力 (EOS) 4

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程是关于电气过应力的第 4 部分

在本次课程中

我们将涵盖器件常常会遭受的

致命的瞬时电气信号

还有用来确认器件是否足够强悍

以免遭这些瞬时电气信号损坏的标准测试

通常器件是怎么被损坏的呢

我们以一个典型放大器为例来看一下

触发器件的 ESD 保护单元

通常是因为超过了该放大器的绝对最大值

这个原理图给出了一般放大器的输入输出

以及钳位二极管为形式的 ESD 保护

如果 I/O 焊盘上

有足够高的电压偏移和电流

这些二极管会正向导通

根据这些

偏移的猛烈或者频繁程度

这些钳位二极管久而久之可能会失效

有些 ESD 单元技术

比如可控硅

事实上设计的是正向导通失效

这里只是一个器件如何被损坏的例子

当然

终端客户通常想让生产的产品更可靠

并且对瞬时能量能够预测

为了达到这一目的

器件出厂前会先经历

模拟严酷的现实世界的电气测试

国际电工委员会是一个

为了解决用电安全

和电工产品标准化问题的世界组织机构

该委员会开发了一套瞬时信号

和电磁辐射免疫测试的标准

这个标准

是想加入欧盟

或者世界贸易组织的生产厂商

它的产品必须满足的测试标准

其中 应用在许多电子电路测试标准中

最为熟知的为 IEC-61000-4 标准

总之

一个电路在这些测试标准下的表现行为

称之为电磁兼容

而测试这些标准的流程

称之为电磁兼容测试

在本次的课程中

我们将重点关注瞬时能量测试

特别是 静电放电测试

电快速瞬变脉冲群和浪涌

现在有多种电磁兼容测试方法

产品如果要实现官方的 IEC 认证

需要通过

第三方的测试

另一种不是很严格的测试

叫做工程验证

这种一般是电路设计者

自己做的测试

测试一般都是在一个公认的

测试中心进行完成的

这个测试中心有标准化的

能够产生各种瞬时信号的测试设备

需要注意很重要的一点

是电路设计者是可以定义测试通过

或者失败的限制条件的

测试结果可能会是

下面四个级别中的一种：

级别 A

EMC 测试中

电路性能指标

维持在规定的指标极限范围内

级别 B

EMC 测试中

电路性能指标暂时超出指标极限范围

但是测试结束后可以恢复

级别 C

EMC 测试中

电路性能指标超出指标的极限范围

测试结束后需要外加介入

如重新上电或者重写寄存器才能恢复

级别 D

EMC 测试中

由于硬件损坏或者数据丢失

电路性能或者功能永久丧失

静电放电也就是 ESD

是在电子系统中

常见的一种瞬时信号形式

ESD 是由于接触和分离

两个绝缘材料造成电荷积累引起的

当充了电的物体靠近另一个

低电势的物体时

能量以静电放电的形式释放出来

静电放电的标准是 IEC61000-4-2

这个标准给出了

静电放电电流波形参数

以及静电放电的时间间隔

或者测试脉冲

当然这个标准也提供了最大充电电压

单位为 kV

根据环境湿度

材料类型和所期望的处理量

定义了 4 种威胁等级

等级 1 是最宽松的

而等级 4是最严苛的

在这套测试中

瞬时能量可以以多种形式

释放到待测电路中

在空气放电中

距离被测器件 1cm 的地方

静电放电 10 次

在接触放电中

静电发生器的尖端放在被测器件上

然后静电放电 10 次

在间接放电到垂直耦合面

也即 VCP 中

被测器件被放在离垂直方向的

金属面 10cm 的地方

对金属面静电放电 10 次

在间接放电到水平耦合面也即 HCP 中

被测器件被放在绝缘垫上

绝缘垫放在一个带有金属屏幕的桌上

对金属面静电放电 10 次

这些照片展示的

是几种静电放电的测试配置

左边的图展示的

是垂直耦合面静电放电

中间的照片展示的

是水平耦合面静电放电

最后右边的图展示的

是空气静电放电

电快速瞬变脉冲群即 EFT

是由于开关继电器电弧放电导致

而且在使用

电子开关去连接和断开感性负载的

工业环境中是非常常见的

电快速瞬变脉冲群的标准化

也就是 IEC61000-4-4

电快速瞬变脉冲群的波形

是用 50 欧姆负载来描述的

输出是有一系列周期性重复的

的高压脉冲群组成

重复周期为 2kHz 到 5kHz

脉冲持续时间 15ms

脉冲重复周期为 300ms

每个短时脉冲上升时间为 5ns

脉冲持续时间为 50ns

IEC61000-4-4 在功率和开路电压

以及短路电流方面

规定了电快速瞬变脉冲群的威胁等级

IEC 61000-4-2 规定了 4 个等级

等级 1 是最宽松的

等级 4 是最严苛的

在电快速瞬变脉冲群测试中

测试器件采用 3 米长的线缆

连接到电源上

并放置在木质的平台上

一部分线缆穿过特质的

木质面板和三角形的金属腔体

电快速瞬变脉冲群测试发生器

连接到三角形金属腔体

并施加测试波形

这时电快速瞬变脉冲群测试的波形

可以发送到连接器件的电源线缆上

在电源或者信号线上

最苛刻的瞬时干扰信号是浪涌

浪涌是由于闪电

或者继电器开关等等导致的

开关瞬时信号包括电源系统开关

负载变化以及短路故障等

浪涌对应的标准为 IEC 61000-4-5

该标准定义了瞬时入口

和一套安装条件

该瞬时信号定义为

一个瞬时信号发生器发生既定的波形

开路电压和源阻抗符合的规定值

两种浪涌波形

代表了两种工业装置

1.2 x 50us 开路电压波形

和 8 x 20us 短路电流波形

IEC 61000-4-5 指定了在电源线

数据线和其他需要接到外面的

线上的浪涌威胁等级

对于两线间和线与地间的耦合方式

给出了最大电压和电流值

IEC 61000-4-5

规定了 5 种威胁等级

等级 1 是最宽松的

等级 5 是最严苛的

对于浪涌测试

被测器件被放置在一个小的

木质平台上

并将其电源通过一个可靠的

LC 滤波器网络

浪涌发生器连接到 LC 滤波器的电容

让被测器件暴露在浪涌干扰下

而电源却可以得到保护

正负极性的浪涌电压均会被测试

采用各种组合方式

连接到被测器件的电源端子

并施加差分和共模

两种干扰组合测试

这里我们对比浪涌

和电快速瞬变脉冲群的能量

与静电放电能量

从左边的图很快就能知道

浪涌和电快速瞬变脉冲群的能量

远远大于静电放电的能量

在右下角的图上

一个小的蓝色的脉冲曲线

代表了 10kV 的静电放电瞬时过程

电快速瞬变脉冲群的持续时间更久

脉冲的功率更大

而一个 500V 的浪涌的能量更大

而且持续时间更久

浪涌的类型

代表了工业流程自动化中的工厂环境

右上角的图显示了 6kV 的

浪涌瞬时曲线

这种浪涌通常会发生在发电

或者电力网的电表应用中

需要注意的是脉冲功率单位

从 kW 到 MW

500V 的浪涌波形相比较几乎看不到了

在本次的课程中

我们提供了几个包含外部保护器件的

TI 精密实验室参考设计

TI 精密实验室参考设计

以实现在复杂苛刻的环境中

提供可靠的性能

这些设计都通过了

工程评估电磁兼容测试

并且测试结果附在了设计文档中

文件中也包含了元器件的选取

和保护的原理

一个非常好的素材

是 TIPD153 这个参考设计

该设计是隔离的单通道工业电压

和电流输出驱动器

另一个非常好的电路设计例子

是 TIPD158

保护设计做的很好

而且也经过了实验验证

该设计是一个低成本的

环路供电的 4~20mA 发送器

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

看看您是否已掌握本次学习的内容

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程是关于电气过应力的第 4 部分

在本次课程中

我们将涵盖器件常常会遭受的

致命的瞬时电气信号

还有用来确认器件是否足够强悍

以免遭这些瞬时电气信号损坏的标准测试

通常器件是怎么被损坏的呢

我们以一个典型放大器为例来看一下

触发器件的 ESD 保护单元

通常是因为超过了该放大器的绝对最大值

这个原理图给出了一般放大器的输入输出

以及钳位二极管为形式的 ESD 保护

如果 I/O 焊盘上

有足够高的电压偏移和电流

这些二极管会正向导通

根据这些

偏移的猛烈或者频繁程度

这些钳位二极管久而久之可能会失效

有些 ESD 单元技术

比如可控硅

事实上设计的是正向导通失效

这里只是一个器件如何被损坏的例子

当然

终端客户通常想让生产的产品更可靠

并且对瞬时能量能够预测

为了达到这一目的

器件出厂前会先经历

模拟严酷的现实世界的电气测试

国际电工委员会是一个

为了解决用电安全

和电工产品标准化问题的世界组织机构

该委员会开发了一套瞬时信号

和电磁辐射免疫测试的标准

这个标准

是想加入欧盟

或者世界贸易组织的生产厂商

它的产品必须满足的测试标准

其中 应用在许多电子电路测试标准中

最为熟知的为 IEC-61000-4 标准

总之

一个电路在这些测试标准下的表现行为

称之为电磁兼容

而测试这些标准的流程

称之为电磁兼容测试

在本次的课程中

我们将重点关注瞬时能量测试

特别是 静电放电测试

电快速瞬变脉冲群和浪涌

现在有多种电磁兼容测试方法

产品如果要实现官方的 IEC 认证

需要通过

第三方的测试

另一种不是很严格的测试

叫做工程验证

这种一般是电路设计者

自己做的测试

测试一般都是在一个公认的

测试中心进行完成的

这个测试中心有标准化的

能够产生各种瞬时信号的测试设备

需要注意很重要的一点

是电路设计者是可以定义测试通过

或者失败的限制条件的

测试结果可能会是

下面四个级别中的一种：

级别 A

EMC 测试中

电路性能指标

维持在规定的指标极限范围内

级别 B

EMC 测试中

电路性能指标暂时超出指标极限范围

但是测试结束后可以恢复

级别 C

EMC 测试中

电路性能指标超出指标的极限范围

测试结束后需要外加介入

如重新上电或者重写寄存器才能恢复

级别 D

EMC 测试中

由于硬件损坏或者数据丢失

电路性能或者功能永久丧失

静电放电也就是 ESD

是在电子系统中

常见的一种瞬时信号形式

ESD 是由于接触和分离

两个绝缘材料造成电荷积累引起的

当充了电的物体靠近另一个

低电势的物体时

能量以静电放电的形式释放出来

静电放电的标准是 IEC61000-4-2

这个标准给出了

静电放电电流波形参数

以及静电放电的时间间隔

或者测试脉冲

当然这个标准也提供了最大充电电压

单位为 kV

根据环境湿度

材料类型和所期望的处理量

定义了 4 种威胁等级

等级 1 是最宽松的

而等级 4是最严苛的

在这套测试中

瞬时能量可以以多种形式

释放到待测电路中

在空气放电中

距离被测器件 1cm 的地方

静电放电 10 次

在接触放电中

静电发生器的尖端放在被测器件上

然后静电放电 10 次

在间接放电到垂直耦合面

也即 VCP 中

被测器件被放在离垂直方向的

金属面 10cm 的地方

对金属面静电放电 10 次

在间接放电到水平耦合面也即 HCP 中

被测器件被放在绝缘垫上

绝缘垫放在一个带有金属屏幕的桌上

对金属面静电放电 10 次

这些照片展示的

是几种静电放电的测试配置

左边的图展示的

是垂直耦合面静电放电

中间的照片展示的

是水平耦合面静电放电

最后右边的图展示的

是空气静电放电

电快速瞬变脉冲群即 EFT

是由于开关继电器电弧放电导致

而且在使用

电子开关去连接和断开感性负载的

工业环境中是非常常见的

电快速瞬变脉冲群的标准化

也就是 IEC61000-4-4

电快速瞬变脉冲群的波形

是用 50 欧姆负载来描述的

输出是有一系列周期性重复的

的高压脉冲群组成

重复周期为 2kHz 到 5kHz

脉冲持续时间 15ms

脉冲重复周期为 300ms

每个短时脉冲上升时间为 5ns

脉冲持续时间为 50ns

IEC61000-4-4 在功率和开路电压

以及短路电流方面

规定了电快速瞬变脉冲群的威胁等级

IEC 61000-4-2 规定了 4 个等级

等级 1 是最宽松的

等级 4 是最严苛的

在电快速瞬变脉冲群测试中

测试器件采用 3 米长的线缆

连接到电源上

并放置在木质的平台上

一部分线缆穿过特质的

木质面板和三角形的金属腔体

电快速瞬变脉冲群测试发生器

连接到三角形金属腔体

并施加测试波形

这时电快速瞬变脉冲群测试的波形

可以发送到连接器件的电源线缆上

在电源或者信号线上

最苛刻的瞬时干扰信号是浪涌

浪涌是由于闪电

或者继电器开关等等导致的

开关瞬时信号包括电源系统开关

负载变化以及短路故障等

浪涌对应的标准为 IEC 61000-4-5

该标准定义了瞬时入口

和一套安装条件

该瞬时信号定义为

一个瞬时信号发生器发生既定的波形

开路电压和源阻抗符合的规定值

两种浪涌波形

代表了两种工业装置

1.2 x 50us 开路电压波形

和 8 x 20us 短路电流波形

IEC 61000-4-5 指定了在电源线

数据线和其他需要接到外面的

线上的浪涌威胁等级

对于两线间和线与地间的耦合方式

给出了最大电压和电流值

IEC 61000-4-5

规定了 5 种威胁等级

等级 1 是最宽松的

等级 5 是最严苛的

对于浪涌测试

被测器件被放置在一个小的

木质平台上

并将其电源通过一个可靠的

LC 滤波器网络

浪涌发生器连接到 LC 滤波器的电容

让被测器件暴露在浪涌干扰下

而电源却可以得到保护

正负极性的浪涌电压均会被测试

采用各种组合方式

连接到被测器件的电源端子

并施加差分和共模

两种干扰组合测试

这里我们对比浪涌

和电快速瞬变脉冲群的能量

与静电放电能量

从左边的图很快就能知道

浪涌和电快速瞬变脉冲群的能量

远远大于静电放电的能量

在右下角的图上

一个小的蓝色的脉冲曲线

代表了 10kV 的静电放电瞬时过程

电快速瞬变脉冲群的持续时间更久

脉冲的功率更大

而一个 500V 的浪涌的能量更大

而且持续时间更久

浪涌的类型

代表了工业流程自动化中的工厂环境

右上角的图显示了 6kV 的

浪涌瞬时曲线

这种浪涌通常会发生在发电

或者电力网的电表应用中

需要注意的是脉冲功率单位

从 kW 到 MW

500V 的浪涌波形相比较几乎看不到了

在本次的课程中

我们提供了几个包含外部保护器件的

TI 精密实验室参考设计

TI 精密实验室参考设计

以实现在复杂苛刻的环境中

提供可靠的性能

这些设计都通过了

工程评估电磁兼容测试

并且测试结果附在了设计文档中

文件中也包含了元器件的选取

和保护的原理

一个非常好的素材

是 TIPD153 这个参考设计

该设计是隔离的单通道工业电压

和电流输出驱动器

另一个非常好的电路设计例子

是 TIPD158

保护设计做的很好

而且也经过了实验验证

该设计是一个低成本的

环路供电的 4~20mA 发送器

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

看看您是否已掌握本次学习的内容