12.3 TI 高精度实验室 - 运算放大器：电气过应力 (EOS) 3

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三部分

本期视频中

我们将介绍

如何选择电气过应力保护元器件

我们将使用放大器规格书中的

绝对最大值和应用电路实际操作条件

来选择合适的瞬态抑制二极管和限流电阻

选择瞬态抑制二极管的目的

是为了确保在正常操作过程中

二极管是截止的

而且漏电流很小

但是在有过应力的情况出现时

瞬态二极管导通并将电压

限制在安全水平

选择限流电阻的目的

是为了将流过输入端口的电流

限制在 10mA 以下

让我们来回顾下

在关于电气过应力第一部分的

章节提到过的

瞬态抑制二极管的电气特性

选择瞬态抑制二极管的

最重要的指标是反相截止电压

也即 VR

从右侧的电流-电压特性曲线可以看出

VR 是瞬态二极管的最大工作电压

在此电压下二极管的漏电流仍非常小

典型值大概为 1uA

这是瞬态二极管的关断状态

如果施加更大的电压

瞬态抑制二极管将导通并泄流

最后需要提到的

是钳位电压Vc

它是二极管在反向导通

并流过最大电流情况下的电压

在选择瞬态抑制二极管时

放大器的工作条件

和瞬态抑制二极管的指标都需要考虑

首先 我们先来考虑放大器的指标

数据手册所规定的电源电压范围

是指放大器在规定的

电源电压范围内工作时

能够满足数据手册里面的性能指标

在这个例子中

OPA192 这颗放大器的

电源电压范围为±2.25V 到±18V

如果 OPA192 采用±18V 电源电压供电

那么所选择的的瞬态抑制二极管

需要在此电压下

需要在此电压下

保持截止和低的漏电流

记住 瞬态抑制二极管的反向截止电压

也即 VR

是能加在瞬态抑制二极管上的

最大的反向电压

而且此时最大漏电流指标

仍然应该能够满足

这个例子中

所选择的二极管

是为了匹配放大器的最大工作电压

二极管的最大反向截止电压为 18V

此时对应的最大反向漏电流为 5uA

这意味着如果加在该二极管上的

反向电压小于或等于 18V

那么漏电流不会超过 5uA

在通常情况下

反向截止电压是依据电路的

最大允许工作电压来选择

因此

如果放大器工作在更低的电源电压下

二极管的反向截止电压的选取

也要做相应改变

请注意放大器规定的工作电源电压范围

和绝对最大电源电压范围的区别

规定的工作电源电压范围

是器件能够正常工作

且数据手册上的性能指标是有效的

而绝对最大电源电压是指

施加在器件上保证芯片不会损坏的

最大电源电压

这个例子中 我们讨论的

是规定的±18V 的工作电源电压

该器件的绝对最大电压为±20V

让我们来看下 OPA192

这颗放大器的绝对最大电源电压

在上一页图片里我们已经看到

OPA192 的规定工作电源电压是 ±18V

绝对最大电源电压是 ±20V

因此

如果放大器工作在±18V 的电源电压下

那么瞬态抑制二极管

需要在18V 时完全截止

但是在电源电压引脚上的电压

上升到 ±20V 之前

它必须导通以保护放大器

故障电压指的是当瞬态二极管导通时

其上的压降

以保护该器件不受损坏

故障电压取决于在过压故障情况下

流过该器件的电流

理想情况下

故障电压需要低于绝对最大电压

为了更好的理解这个概念

让我们再来看下瞬态抑制二极管的

电流电压特性曲线

在我们的例子中

我们采用 18V 作为瞬态二极管的

反向截止电压

这也是正常情况下

供给放大器的电源电压

VBR 是反向击穿电压

也就是二极管开始导通的压降

在这个情况下

通常会有 1mA 的电流流过二极管

钳位电压 Vc

是二极管所允许的

最大反向电流处所对应的电压

故障电压取决于流过二极管的电流

其值一般会在 VBR 和 Vc 之间

一种用于估计故障电流的方式

为考虑最大电流并留一些裕量

在这个例子中

我们估计故障电流为 2A

由于已经有了 Vc 和 VBR 两个参数

应该可以通过两点法

来得到该故障电流下的故障电压值

此例中我们估计故障电流为 2A

这里我们给出了如何采用线性插值法

来得到示例瞬态二极管的故障电流

在 2A 情况下的故障电压

示例中所使用的为标准线性方程

I=mV+b

根据击穿点和钳位点

得到变化的电流和变化的电压

用变化的电流除以变化的电压

我们得到方程中的斜率 m

在这个例子中

我们使用数据手册里面的最大值

来做保守计算

计算出来斜率之后

对方程式进行整理

从而得到 y 轴的交点也即 b

最终我们将这些求出的值代回原方程

求出在 2A 的故障电流情况下的

故障电压 23.14V

现在我们必须对比

瞬态二极管的电压参数和放大器的指标

回忆一下

为了匹配放大器的工作电压

我们选择了反向截止电压

为 18V 的瞬态抑制二极管

然后采用线性插值方式

从电流-电压曲线上

计算得到故障保护电压为 23.14V

为了最好的保护

故障电压需要低于放大器的绝对最大电压

不幸的是

该瞬态抑制二极管的故障电压

大于放大器的绝对最大电压也即 20V

在第二个选择中

放大器的工作电压减小到了 15V

这样在最大工作电压

和绝对最大电压之间留下了更多裕量

一个反向截止电压为 15V

故障电压为 19.2V 的

新的瞬态抑制二极管被选来做保护

注意到此时 19.2V 的故障电压

低于放大器的绝对最大电压

这样 这个瞬态抑制二极管

将有效地保护放大器

以免受电气过应力事件发生的损坏

需要注意的是

在有些情况下

可能找不到一个既满足工作电压

又满足绝对最大电压的瞬态抑制二极管

这种情况下

尽管不能将故障电压

限制在电气过应力安全水平下

建议仍然使用瞬态抑制二极管

因为有保护总归好于没有任何的防护

由于放大器经常出现

工作在靠近绝对最大电源电压的情况

理想的我们会期望

瞬态抑制二极管的反向截止电压

和故障电压能够很接近

但并不总是这种情况

好在我们可以选择

不同额定功率的瞬态抑制二极管

额定功率越大

曲线斜率越大

这样故障电压也就更接近反向截止电压

注意额定功率指的是

1ms 脉冲时间内峰值功率消耗

在这个例子中

我们对比了额定功率为 1500W

和额定功率为 400W 的瞬态抑制二极管

从右边的曲线图中可以看出

对于 2A 的故障电流

额定功率为 400W 的器件对应的

故障电压为 19.2V

而功率等级为 1500W 的器件

对应的故障电压为 18.6V

这个值减小

对于选取瞬态二极管非常有帮助

可是对于大额定功率的瞬态抑制二极管

也有一个缺点

相比大多数的放大器封装

它们的封装会很大

左边的封装示意图

对比了 5 引脚放大器的 SOT 封装

400W 的瞬态抑制二极管的SMA 封装

和 1500W 的瞬态抑制二极管的 SMC 封装

对比不同功率等级的瞬态抑制二极管

我们可以清楚的看出

选择 2 所对应的大功率的

瞬态抑制二极管的故障电压

相比而言更低

在这种情况下

由于两种选择中故障电压

都低于放大器绝对最大工作电压

因此两种选择

都可以起到防护电气过应力的作用

但是大额定功率的选择

留有更多的裕量

更进一步的讲

如果工作电源电压更靠近绝对最大电压

那么大额定功率的 TSV 二极管

将是唯一的选择

为了有效地防护电气过应力

最后一步需要做的

是选择串在输入端的限流电阻

首先

在这个例子中

考虑 100V 的最坏情况

其次

沿着电流的路径做一个跨步电压分析

来得到电阻上的电压

在这个例子中

100V 的电压被分布到 Rin

D3 和 D7 上

D3 的压降大概为 0.7V

而 D7 的压降为 19.2V

也即其故障电压

所以加在电阻上的电压为 84.3V

为避免放大器输入端电气过应力事件

其所能接受的最大输入电流为 10mA

基于电阻上 84.3V 的压降

和最大电流 10mA

采用欧姆定律

就可以得到最小为 8.43K 欧姆的电阻

需要提醒的是

增加电阻阻值将可以增强保护

但是可能会导致其它性能的牺牲

需要折中得进行考虑

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

本次课程是关于电气过应力的第三部分

本期视频中

我们将介绍

如何选择电气过应力保护元器件

我们将使用放大器规格书中的

绝对最大值和应用电路实际操作条件

来选择合适的瞬态抑制二极管和限流电阻

选择瞬态抑制二极管的目的

是为了确保在正常操作过程中

二极管是截止的

而且漏电流很小

但是在有过应力的情况出现时

瞬态二极管导通并将电压

限制在安全水平

选择限流电阻的目的

是为了将流过输入端口的电流

限制在 10mA 以下

让我们来回顾下

在关于电气过应力第一部分的

章节提到过的

瞬态抑制二极管的电气特性

选择瞬态抑制二极管的

最重要的指标是反相截止电压

也即 VR

从右侧的电流-电压特性曲线可以看出

VR 是瞬态二极管的最大工作电压

在此电压下二极管的漏电流仍非常小

典型值大概为 1uA

这是瞬态二极管的关断状态

如果施加更大的电压

瞬态抑制二极管将导通并泄流

最后需要提到的

是钳位电压Vc

它是二极管在反向导通

并流过最大电流情况下的电压

在选择瞬态抑制二极管时

放大器的工作条件

和瞬态抑制二极管的指标都需要考虑

首先 我们先来考虑放大器的指标

数据手册所规定的电源电压范围

是指放大器在规定的

电源电压范围内工作时

能够满足数据手册里面的性能指标

在这个例子中

OPA192 这颗放大器的

电源电压范围为±2.25V 到±18V

如果 OPA192 采用±18V 电源电压供电

那么所选择的的瞬态抑制二极管

需要在此电压下

需要在此电压下

保持截止和低的漏电流

记住 瞬态抑制二极管的反向截止电压

也即 VR

是能加在瞬态抑制二极管上的

最大的反向电压

而且此时最大漏电流指标

仍然应该能够满足

这个例子中

所选择的二极管

是为了匹配放大器的最大工作电压

二极管的最大反向截止电压为 18V

此时对应的最大反向漏电流为 5uA

这意味着如果加在该二极管上的

反向电压小于或等于 18V

那么漏电流不会超过 5uA

在通常情况下

反向截止电压是依据电路的

最大允许工作电压来选择

因此

如果放大器工作在更低的电源电压下

二极管的反向截止电压的选取

也要做相应改变

请注意放大器规定的工作电源电压范围

和绝对最大电源电压范围的区别

规定的工作电源电压范围

是器件能够正常工作

且数据手册上的性能指标是有效的

而绝对最大电源电压是指

施加在器件上保证芯片不会损坏的

最大电源电压

这个例子中 我们讨论的

是规定的±18V 的工作电源电压

该器件的绝对最大电压为±20V

让我们来看下 OPA192

这颗放大器的绝对最大电源电压

在上一页图片里我们已经看到

OPA192 的规定工作电源电压是 ±18V

绝对最大电源电压是 ±20V

因此

如果放大器工作在±18V 的电源电压下

那么瞬态抑制二极管

需要在18V 时完全截止

但是在电源电压引脚上的电压

上升到 ±20V 之前

它必须导通以保护放大器

故障电压指的是当瞬态二极管导通时

其上的压降

以保护该器件不受损坏

故障电压取决于在过压故障情况下

流过该器件的电流

理想情况下

故障电压需要低于绝对最大电压

为了更好的理解这个概念

让我们再来看下瞬态抑制二极管的

电流电压特性曲线

在我们的例子中

我们采用 18V 作为瞬态二极管的

反向截止电压

这也是正常情况下

供给放大器的电源电压

VBR 是反向击穿电压

也就是二极管开始导通的压降

在这个情况下

通常会有 1mA 的电流流过二极管

钳位电压 Vc

是二极管所允许的

最大反向电流处所对应的电压

故障电压取决于流过二极管的电流

其值一般会在 VBR 和 Vc 之间

一种用于估计故障电流的方式

为考虑最大电流并留一些裕量

在这个例子中

我们估计故障电流为 2A

由于已经有了 Vc 和 VBR 两个参数

应该可以通过两点法

来得到该故障电流下的故障电压值

此例中我们估计故障电流为 2A

这里我们给出了如何采用线性插值法

来得到示例瞬态二极管的故障电流

在 2A 情况下的故障电压

示例中所使用的为标准线性方程

I=mV+b

根据击穿点和钳位点

得到变化的电流和变化的电压

用变化的电流除以变化的电压

我们得到方程中的斜率 m

在这个例子中

我们使用数据手册里面的最大值

来做保守计算

计算出来斜率之后

对方程式进行整理

从而得到 y 轴的交点也即 b

最终我们将这些求出的值代回原方程

求出在 2A 的故障电流情况下的

故障电压 23.14V

现在我们必须对比

瞬态二极管的电压参数和放大器的指标

回忆一下

为了匹配放大器的工作电压

我们选择了反向截止电压

为 18V 的瞬态抑制二极管

然后采用线性插值方式

从电流-电压曲线上

计算得到故障保护电压为 23.14V

为了最好的保护

故障电压需要低于放大器的绝对最大电压

不幸的是

该瞬态抑制二极管的故障电压

大于放大器的绝对最大电压也即 20V

在第二个选择中

放大器的工作电压减小到了 15V

这样在最大工作电压

和绝对最大电压之间留下了更多裕量

一个反向截止电压为 15V

故障电压为 19.2V 的

新的瞬态抑制二极管被选来做保护

注意到此时 19.2V 的故障电压

低于放大器的绝对最大电压

这样 这个瞬态抑制二极管

将有效地保护放大器

以免受电气过应力事件发生的损坏

需要注意的是

在有些情况下

可能找不到一个既满足工作电压

又满足绝对最大电压的瞬态抑制二极管

这种情况下

尽管不能将故障电压

限制在电气过应力安全水平下

建议仍然使用瞬态抑制二极管

因为有保护总归好于没有任何的防护

由于放大器经常出现

工作在靠近绝对最大电源电压的情况

理想的我们会期望

瞬态抑制二极管的反向截止电压

和故障电压能够很接近

但并不总是这种情况

好在我们可以选择

不同额定功率的瞬态抑制二极管

额定功率越大

曲线斜率越大

这样故障电压也就更接近反向截止电压

注意额定功率指的是

1ms 脉冲时间内峰值功率消耗

在这个例子中

我们对比了额定功率为 1500W

和额定功率为 400W 的瞬态抑制二极管

从右边的曲线图中可以看出

对于 2A 的故障电流

额定功率为 400W 的器件对应的

故障电压为 19.2V

而功率等级为 1500W 的器件

对应的故障电压为 18.6V

这个值减小

对于选取瞬态二极管非常有帮助

可是对于大额定功率的瞬态抑制二极管

也有一个缺点

相比大多数的放大器封装

它们的封装会很大

左边的封装示意图

对比了 5 引脚放大器的 SOT 封装

400W 的瞬态抑制二极管的SMA 封装

和 1500W 的瞬态抑制二极管的 SMC 封装

对比不同功率等级的瞬态抑制二极管

我们可以清楚的看出

选择 2 所对应的大功率的

瞬态抑制二极管的故障电压

相比而言更低

在这种情况下

由于两种选择中故障电压

都低于放大器绝对最大工作电压

因此两种选择

都可以起到防护电气过应力的作用

但是大额定功率的选择

留有更多的裕量

更进一步的讲

如果工作电源电压更靠近绝对最大电压

那么大额定功率的 TSV 二极管

将是唯一的选择

为了有效地防护电气过应力

最后一步需要做的

是选择串在输入端的限流电阻

首先

在这个例子中

考虑 100V 的最坏情况

其次

沿着电流的路径做一个跨步电压分析

来得到电阻上的电压

在这个例子中

100V 的电压被分布到 Rin

D3 和 D7 上

D3 的压降大概为 0.7V

而 D7 的压降为 19.2V

也即其故障电压

所以加在电阻上的电压为 84.3V

为避免放大器输入端电气过应力事件

其所能接受的最大输入电流为 10mA

基于电阻上 84.3V 的压降

和最大电流 10mA

采用欧姆定律

就可以得到最小为 8.43K 欧姆的电阻

需要提醒的是

增加电阻阻值将可以增强保护

但是可能会导致其它性能的牺牲

需要折中得进行考虑

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课程的内容