解决模拟输入的IEC系统保护问题

与系统模拟输入和输出节点相互作用的外部高压瞬变如果没有得到充分保护，可能会损坏系统内的集成电路（IC）。现代IC的模拟输入和输出引脚通常具有高压静电放电（ESD）瞬变保护。人体模型 （HBM）、机器模型 （MM） 和带电设备模型 （CDM） 是用于测量设备承受 ESD 事件能力的设备级标准。这些测试旨在使设备能够承受通常在受控环境中进行的制造和PCB组装过程。

在恶劣电磁环境中运行的系统需要承受输入或输出节点上的高压瞬变，当从器件级标准转向系统级标准以实现高压瞬态鲁棒性时，传输到IC引脚的能级存在很大差异。因此，直接与这些系统输入/输出节点接口的IC也必须得到充分保护，以承受系统级高压瞬变。如果在系统设计早期未考虑这种保护，可能会导致系统保护不足、产品发布延迟和系统性能下降。本文介绍如何保护敏感的模拟输入和输出节点免受这些IEC标准瞬态电平的影响。

图1.用于精密模拟输入的IEC系统保护。

IEC 61000 认证

IEC 61000 是在系统级别涵盖 EMC 稳健性的标准。该标准中处理高压瞬变的三个部分是IEC 61000-4-2，IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5。这些是静电放电 （ESD）、电快速瞬变 （EFT） 和浪涌的系统级标准。这些标准定义了波形、测试方法和测试级别，用于评估电气和电子设备在这些瞬变下的抗扰度。

IEC 61000-4-2测试的主要目的是确定系统在运行期间对系统外部ESD事件的抗扰度，例如，如果系统输入/输出与带电的人、电缆或工具接触。IEC 61000-4-2规定使用两种耦合方法进行测试：接触放电和气隙放电。

IEC 61000-4-4 EFT 测试涉及将许多极快的瞬态脉冲耦合到信号线上，以表示与电容耦合到信号线的外部开关电路相关的瞬态干扰。该测试反映了由感性或容性负载开关引起的开关触点反弹或瞬变，所有这些都在工业环境中很常见。

浪涌瞬变是由开关或雷电瞬变的过电压引起的。开关瞬变可能是由电力系统开关、配电系统中的负载变化或各种系统故障引起的，例如安装的接地系统的短路和电弧故障。雷电瞬变可能是附近雷击注入电路的高电流和电压的结果。

瞬态电压抑制器

TVS的基本参数：

瞬态电压抑制器（TVS）可用于抑制电压浪涌。它们用于箝位高压瞬变，并将大电流分流到敏感电路之外。TVS的基本参数是：

工作峰值反向电压：低于该电压不会发生明显传导的电压

击穿电压：发生某些指定传导的电压

最大钳位电压：传导指定最大电流时器件两端的最大电压

在系统输入或输出上使用TVS设备时，必须考虑许多因素。ESD或EFT事件将产生非常快的时间（1 ns至5 ns）瞬态波形，导致在TVS器件箝位在其击穿电压之前，系统输入端出现初始过冲电压。浪涌事件具有不同的瞬态波形，具有缓慢上升时间（1.2 μs）和长持续时间（50 μs）脉冲，在这种情况下，电压最初将被箝位在击穿电压处，但它可以继续增加到TVS最大钳位电压。此外，TVS 必须高于任何可能由接线错误、断电或用户错误引起的容许直流过压，以保护系统免受此直流过压事件的影响。这三种情况都可能导致下游电路输入端出现潜在的破坏性过压。

模拟输入保护电路

为了充分保护系统输入/输出节点，必须保护系统免受直流过压和高压瞬变的影响。在系统输入端使用精密、可靠的过压保护 （OVP） 开关，结合 TVS 可以保护敏感的下游电路（例如，模数转换器或放大器输入/输出），因为它可用于阻止过压并抑制未被 TVS 分流到地的剩余电流。

图2.过压保护开关功能框图。

图2显示了典型过压保护开关的功能框图;请注意，此开关的输入节点上没有以电源为基准的ESD保护二极管。相反，它具有一个ESD保护单元，该保护单元在器件最大关断电压以上触发，从而使器件能够关断并阻止超出其电源电压的电压。由于模拟系统通常要求只有开关的外部引脚需要IEC保护，因此ESD保护二极管保留在面向内部的引脚上（称为开关输出或漏极侧）。这些二极管通过用作二级保护器件而受益。在短时间内，具有快速上升时间的高压瞬变（如ESD或EFT）时，瞬态电压被箝位，因此电压不会到达下游电路。在长时间内，具有缓慢上升时间的高压瞬变类似浪涌，开关的输出电压由内部保护二极管箝位，然后激活开关的过压保护，开关断开，将故障与下游电路完全隔离。

图3显示了与外界接口的系统输入的工作区域。最左侧区域（绿色）表示正常工作，其中输入电压在电源电压范围之间。左起第二个区域（蓝色）表示由于断电、接线错误或短路而可能出现的持续直流或长时间交流过电压的范围。图中最右侧（紫色）还包括过压开关内部ESD保护二极管的触发电压。TVS击穿电压（橙色）必须选择小于过压保护开关的最大关断电压，并且也大于任何已知的持续直流或长时间交流过压，以避免无意中触发TVS。

图3.系统操作区域。

图4中的以下保护电路可承受高达8 kV IEC ESD（接触放电）、16 kV IEC ESD（空气放电）、4 kV EFT和4 kV浪涌。ADG5412F（ADI公司的±55 V过压保护和检测，四通道SPST开关）可以承受ESD、EFT和浪涌瞬变引起的过压，而过压保护与漏极保护二极管相结合，可保护和隔离下游电路。表1显示了ADG5412F可以承受TVS击穿电压和电阻的各种组合的高压瞬变水平。

图4.保护电路。

保护	保护 IEC 61000-4-2 静电接触放电	IEC 61000-4-2 静电接触放电 IEC 61000-4-2 静电放电空气放电	IEC 61000-4-4 电子转帐	IEC 61000-4-4 EFT IEC 61000-4-5 浪涌
33 V TVS 和 0 Ω电阻	5 千伏		3 千伏	4 千伏
33 V TVS 和 10 Ω电阻	8 kV	16 kV	4 千伏	4 千伏
45 V TVS 和 0 Ω电阻	4 千伏		2 千伏	4 千伏
45 V TVS 和 15 Ω电阻	8 kV	16 kV	4 千伏	4 千伏
54 V TVS 和 30 Ω电阻	8 kV	16 kV	4 千伏	4 千伏

保护网络由TVS和可选的低阻值电阻器组成。需要该电阻来实现更高水平的ESD和EFT保护，因为它可以防止过压开关的内部ESD保护单元在TVS箝位输入端的电压之前触发。图4还显示了高压瞬态事件期间的各种电流路径。大部分电流通过TVS器件（路径I1）分流到地。路径I2显示通过ADG5412F输出端的内部ESD二极管耗散的电流，而输出电压被箝位至高于电源电压0.7 V。最后，路径I3中的电流是下游组件必须承受的剩余电流水平。有关此保护电路的更多详细信息，请参见ADI公司的应用笔记AN-1436。

电工电子电气防静电保护

图5.测试电路。

图6和图7显示了使用图5所示测试电路在8 kV接触放电和16 kV空气放电IEC ESD事件期间进行的测量。如前所述，在TVS器件将电压箝位至约54 V之前，源极引脚上存在初始过压。在此过压期间，开关漏极处的电压被钳位在电源电压上方0.7 V。漏极电流测量显示流入下游器件二极管的电流。脉冲的峰值电流约为680 mA，电流持续时间仅为约60 ns。相比之下，峰值电流为660 mA的1 kV HBM ESD冲击的持续时间为500 ns。因此，可以合理地得出结论，HBM ESD 额定值为 1 kV 的下游组件应使用此保护电路同时承受 8 kV 接触放电和 16 kV 空气放电 IEC ESD 事件。

图6.8 kV事件期间漏极电压和输出电流。

图7.16 kV 空气放电事件期间漏极电压和输出电流。

电子转帐保护

图8是在4 kV EFT事件的一个脉冲期间进行的测量。与ESD瞬变期间发生的情况类似，在TVS器件将电压箝位至约54 V之前，源极引脚上存在初始过压。在此过压期间，开关漏极处的电压再次被箝位在电源电压上方0.7 V。在这种情况入下游器件的脉冲峰值电流仅为420 mA，电流持续时间仅为约90 ns。与 HBM ESD 事件相比，750 V HBM ESD 冲击的峰值电流为 500 mA，持续时间为 500 ns。因此，在4 kV EFT事件期间，能量被传输到下游器件的引脚，小于750 V HBM ESD事件。

图8.单个脉冲的 EFT 电流。

浪涌保护

图9中的测量结果显示了施加到保护电路输入端的4 kV浪涌瞬变的结果。如前所述，源极处的电压可能会超过TVS的击穿电压，直至其最大钳位电压。本电路中的过压保护开关的反应时间约为500 ns，在前500 ns时间段内，器件漏极上的电压被箝位在电源电压上方0.7 V。在此期间，流向下游器件的峰值电流仅为608 mA，大约500 ns后，开关关闭并将下游电路与故障隔离。同样，这小于1 kV HBM ESD事件期间传输的能量。

图9.在浪涌事件期间运行 OVP。

结论

本文介绍如何保护集成电路模拟输入和输出免受高压瞬变的影响，如标准IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5所述。

这些信息为系统设计人员提供了设计系统输入和输出保护电路所需的知识，同时实现以下优势：

易于保护的设计

加快上市时间

由于所需的分立元件数量减少，保护电路性能更高

信号路径中串联电阻值降低

宽大的TVS设计窗口，易于选择TVS

针对以下标准的系统级保护

IEC 61000-4-2 16 kV 空气放电

IEC 61000-4-2 8 kV 接触放电

IEC 61000-4-4 4 kV

IEC 61000-4-5 4 kV

高达 ±55 V 的交流和持续直流过压保护

高达 ±55 V 的断电保护

审核编辑：郭婷