一文教你芯片设计如何避免电应力造成产品失效

2020-05-13 19:18   303次浏览

芯片设计者在将一个运放的敏感引脚引出芯片的时候,通常会想到用户是否会认真处理这个引脚?或只是粗心的把这个引脚直接和交流电连接起来?我们都希望设计出好产品,可以应对用户的极端使用。那么,如何在设计中防止过电应力造成的产品失效呢?

OPA320 是大多数典型运放的一种,其额定参数表如图 1 所示,它描述了芯片允许供电电压、引脚允许输入电压和电流。根据参数表的附加说明,如果限制引脚输入电流,那么就不需要限制输入电压。内部钳位二极管允许±10mA 的输入电流。但是在输入电压超出正常值很多的情况下,限制输入电流需要较大的输入阻抗,这会增加噪声,降低带宽,同时还可能产生其它错误。

钳位二极管在输入电压超过电源轨大约 0.6V 时开始导通。通常,许多设备可以承受较大电流,但是当电压急剧增加时,设备失效的概率就会增加。

通过添加外部二极管可以大大提高设备耐受大电流的能力,同时也可以提高设备的防护等级。市场上常见的传输信号二极管,比如无处不在的 1N4148,具有非常低的导通压降(实验室测试显示,其至少比运放内部二极管低 100mV)。在与运放内部二极管并联后,当遇到输入过流时,大多数电流将流向外部的二极管。

肖特基二极管具有更低的导通电压,这种特性可以提升保护性能。但缺点也很明显,它的漏电流太大了。室温下,它的反向漏电流通常是微安级或者更大,同时,随着温度的升高而增加。

另外,你还需要一个足够强大的电源。钳位二极管,无论是运放内部或者外部的,都需要一个相对稳定的电源来释放能量。如果故障脉冲很大,灌入电源轨过多的电流,提高(或拉低负电源)电源电压,那么脉冲会使电源端承受过大的电压应力,如图 2 所示。典型的线性电源不能吸收电流,因此不要指望使用它做为电源有多稳定。大的旁路电容可以用来吸收大的故障脉冲电流。对于连续的故障电流,可以在输入引脚和电源上加用齐纳二极管来解决。齐纳二极管的反向击穿电压要刚好高于系统供电电压,这样仅仅在故障时,齐纳二极管才会被导通。对于正负供电系统,需要在两个电源轨分别设计相同的保护电路。

尽管采取了这些措施,引脚输入电压仍可能超过额定参数表中的值,但问题关键在于:额定参数表中的值通常过于保守;在这个电压或者电流下芯片损坏几乎是不可能的。一般来说,大幅超过这些参数,器件也不太可能损坏(但不保证)。钳位到比额定参数表中的值高几伏的电压,同时获得较低的失效率是很容易的。在许多情况下,设计的目标是在成本和性能折中的情况下降低失效率。

没有哪一种方案可以应对所有的情况,也没有一种保护电路可以同时满足所有需求。在不同应用中,保护电路方案差别很大。不同运放的灵敏度不同,所需保护等级也存在很大差异。这可能会需要你有一定创造力,自己做自己的专家。虽然在极端的环境中做一些测试会损失一些运放,但这是必要的。

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