电气过应力简介—第1部分

作者：Art Kay  德州仪器

记得大学的时候，我们莫名其妙地将 120VAC 电源连接到了 5V 微控制器电源上。微控制器爆了，实验室里到处都是陶瓷 DIP 器件的小碎片。这是我的第一次电气过应力 (EOS) 经历。

虽然可能很明显不应该将 120V 电源连接到 5V 器件上，但怎么知道安全工作等级是多少呢？答案就在“绝对最大额定参数”表中，该表主要描述器件损坏前所能承受的最差情况输入信号、电源电压和温度。表 1 是 OPA192 绝对最大额定参数的实例。在本博客中，我们将重点探讨电源电压和输入信号。我还将写一篇介绍其它参数的后续博客。

表 1：OPA192 的绝对最大额定参数表

在本实例中，绝对最大电源电压对于单电源而言是 ±20V 或 40V。必须理解，绝对最大电源电压（表 1 中 40V）不同于工作技术参数中的最大电源电压（表 2 中的 36V）。超过绝对最大电源电压会损坏器件，而超过工作技术参数中的最大电源电压则意味着器件的精确度会降低到给定限值以下。因此在本例中，如果电源电压被设定为 37V，那么器件精度可能会受到影响，但放大器不会损坏。

表 2：OPA192 的工作技术参数

电气特性

在 T_A = +25C 时，VCM = VOUT = VS/2，连接到 Vs/2 的 R_LOAD = 10kΩ，另有说明除外。

既然理解了绝对最大额定参数表的意图，那我们就来看看输入信号。图 1 列出了共模及最大差分输入。共模信号是放大器任意输入端上的电压，而差分输入信号则是应用在放大器两个输入端之间的电压。在运算放大器正常工作时，差分输入就是输入失调电压 (Vos)。然而在有些情况下，放大器可能应用了很大的差分电压。例如，如果放大器作为比较器使用或连接至多路复用器，那么在多路复用器通道转换时，输入端可能会出现很大的差分电压。图 1 有助于理解共模输入与差分输入之间的区别。

图 1：运算放大器的共模输入与差分输入

只要保持输入信号小于绝对最大额定参数，放大器就不会损坏。这似乎很简单，那为什么电气过应力会成为这样的问题呢？原因是放大器输入终端经常暴露于外界。例如，某产品可能需要连接外部传感器才能工作。在很多时候，外部连接有可能被错误连线至过大电压。而在其它使用案例中，短暂的过压浪涌可能会通过磁耦合或电容耦合应用。对于恶劣环境情况而言，不可能阻止过压条件出现。在这些情况下有必要使用一些外部保护功能。

最简单的外部保护形式是使用限流电阻器。注意，在表 2 中输入终端电流必须限制在 10mA 或以下。该电流限值可用来选择能够防止过压电源造成损坏的电阻器。图 2 是内部运算放大器静电放电 (ESD) 保护二极管（D₁、D₂、D₃ 和 D₄）。ESD 二极管本身不是用来处理大量连续电气过应力电流的，而是用来防范极短静电放电脉冲（几纳秒内的几千伏电压）的。实际上，二极管额定允许的连续输入电流仅为 10mA（见表 2 的输入终端电流）。因此，输入保护的关键是使用串联电阻器 (Rp) 将输入电流限制在 10mA 以下。注意，您需要查看产品说明书，以确认放大器中的输入 ESD 二极管的配置情况。

图 2：内部 ESD 二极管与限流电阻器

限流电阻器值的选择取决于应用所预期的最差情况过应力电压。公式 1 是假设 100V 过应力电压下的计算实例。该公式由欧姆定律以及基尔霍夫围绕环路的电压定律推导得出。可使用更大的串联保护电阻器实现更高的保护等级。

最后要注意的是，电源上需要配备瞬态电压抑制器（D5 和 D6），以吸收过压信号。瞬态电压抑制器与齐纳二极管类似，但它们通过大型结点区域进行了优化，可在短时间内快速吸收大功率。之所以需要这些二极管是因为电源可能无法吸收电流。此外，电源可能做出的响应速度不够，不能防范过压信号。必须确保针对该应用使用单向（而非双向）电压抑制器。

在这篇博客中，我们了解了如何使用串联电阻器防止放大器输入出现过电压情况。在下一篇博客中，我们将讨论绝对最大额定参数表中的其它额定参数。我希望该探讨内容能帮助您避免出现我在大学时经历的烟火场景。

如果您对此很感兴趣，请务必关注我《电气过应力简介》系列文章中的其它内容。

原文请参见: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/05/08/part-1-electrical-overstress-in-a-nut-shell.aspx

审核编辑：符乾江