ESD保护问题 - 做好自启动不容易，理解稳压器和带隙基准的上电复位需求

　　ESD保护问题

　　因为高压会损坏IC，必须提供必要的ESD保护。如果电压超过IC制造工艺允许的上限，有源器件将进入齐纳模式。器件击穿后，电流将快速上升，进入雪崩模式，产生大电流并导致硅片融化。负压过大时，同样会导致大电流并损坏IC。

　　带隙基准

　　带隙基准如图4所示，通常也会存在启动问题。带隙由两个正向偏置、具有不同电流的晶体管组成，某一路电流变化时，将引起两路电流在工作点重新均衡，其中一路为负温度系数，另一路为正温度系数。

　　图4. 常用带隙结构

　　选择适当的工作点，使得所产生的信号差与绝对温度成比例（PTAT）。理想的设计目标是确保输出电压不随温度变化。遗憾的是，运放有两个稳定的平衡点：设置电流和零电流，而且，在零电流点，电路无法确定如何恢复或修正。

　　带隙基准计算器有助于设计、分析Brokaw带隙基准电路。它可以计算所有电路参数以及输出电压与结温的函数关系，可以仿真一阶调整效果和二阶修正曲线，该免费工具可以从网站www.maxim-ic.com/tools/calculators/hp50g下载，其可以运行在HP® 50g计算器上，或提供计算器仿真的PC上。

　　解决上电复位问题

　　图1所示电压基准能够正常工作，因为它有单独的启动电路，可以在两路带隙电流为零时打破平衡。不过，实践证明，它能够确保正常工作在室温，而在高温下可能出现失效，由此可见，启动电路在高温、漏电流变大时非常脆弱，设计者必须在使用弱启动电路（可能不启动）和强启动电路（可能影响正常操作）之间进行权衡。有关带隙启动的课题涉及到很多专利技术。

　　本处需要解决的问题相对比较简单，假设负压漏电流处理不当，我们会对基准输出进行钳位。IC内部的ESD二极管为硅二极管（图3），它们会自然把负压钳位在0.6V至0.7V（也可能是两个二极管串联，钳位在1.2V）。可以在基准输出端增加一个小的肖特基二极管，正常工作时，二极管反偏，对电路没有影响，考虑到肖特基二极管会有泄漏。室温下，其正向压降约240mV，随着温度上升（同样电流条件），其正向导通电压下降，如图5所示。

　　图5. 肖特基二极管典型特性

　　由此，可基本解决热启动问题，需要测试时，可以找一个在特定温度下失效的电压基准，把电压基准的输出引到烘箱外面，如有射频干扰，可以采用一小段同轴电缆引出。20pF的电缆电容不会影响直流。测量失效电压基准的输出，请注意可能出现负压（有时IC内部会有两个串联的ESD二极管），假设是-1V。然后，连接一个硅二极管（如1N4747）把电压钳位在0.6V，重新查看基准是否启动，再用两个串联的肖特基管（室温下压降约0.52V），查看基准是否启动。只接入一个肖特基二极管（0.24V）时，查看基准是否启动。把肖特基管加热或放入烘箱中——基准是否启动？通过逐步试验启动门限，可以了解启动裕量。

　　加上肖特基二极管可以减轻基准输出被拉至负压的程度，随着温度上升，肖特基二极管正向导通电压变小，减轻了这一问题。测试证明，增加肖特基二极管后，可以防止负压对电压基准的影响，使之可以在高温下启动。

　　POR（上电复位）有几种方式确保正常工作。例如，Maxim的MAX6029电压基准基于带隙基准单元，该基准必须在正确的工作电压下才能稳定。正如我们在带隙基准部分所述，带隙基准会在两个工作点达到平衡并稳定：设计电流和零电流。确保器件启动并避免进入零电流状态是必不可少的条件，设计者要花大量时间就电压、温度和工艺等变化进行电路仿真。MAX5134是4路16位模/数转换器（DAC），其POR电路将器件初始化到已知状态，MAX5134可以复位到零或中间值。针对不同应用，这会是一个很重要的系统安全因素。对于受控马达，如果上电过程中随意变动，有可能对人身造成伤害。由于硬件POR电路独立于任何软件控制，必须在系统软件接管操作之前确保安全工作。另外，POR也应用在非易失数字电位器MAX5482中，光纤通信、电源等系统需要在最终产品测试中进行校准，MAX5428可以记住1024个位置或电压值之一，POR确保上电时自动读出校准值。

　　结论

　　确保自启动在任何条件下正常工作将面临许多设计挑战，对于IC，POR可以保证系统进入确定的安全状态。有时，如果客户的应用场合超出了IC的工作范围，可以向IC制造商的工程师寻求帮助；但建议用户最好按照制造商文档中的条件限制使用，理由很明显，因为IC设计时就是按照这些参数构建的。