電磁兼容性
IEC 61000規(guī)范定義了一組電磁兼容性(EMC)抗擾度要求，適用于在住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中使用的電氣和電子設(shè)備。這套規(guī)范中有三個重要的高壓瞬變規(guī)范：
IEC 61000-4-2 ESD
IEC 61000-4-4 EFT
IEC 61000-4-5浪涌耐受性
所有這些規(guī)范都定義了測試方法，用以評估電子和電氣設(shè)備對指定現(xiàn)象的耐受性。
圖1.完整保護(hù)解決方案
過壓故障保護(hù)
ADI公司高可靠性的故障防護(hù)開關(guān)和多路復(fù)用器產(chǎn)品組合（ADG5208F和ADG5412F）提供高達(dá)±55 V的OVP功能。這些器件還有高達(dá)±55 V的掉電保護(hù)、過壓故障檢測、防閂鎖、高達(dá)5.5 kV的HBM ESD防護(hù)等級。除了實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的高可靠性以外，這些具有OVP功能的開關(guān)還保持了業(yè)界領(lǐng)先的模擬性能，可以應(yīng)用于高阻抗以及低阻抗系統(tǒng)。
斷電、熱插拔連接、電源時序問題和接線錯誤是持續(xù)直流或瞬變過壓的常見原因。將具有OVP功能的模擬開關(guān)放在系統(tǒng)的輸入或輸出節(jié)點(diǎn)，就可以保護(hù)系統(tǒng)輸入和輸出免受在有電或無電情況下高達(dá)±55 V的過壓影響。該類模擬開關(guān)會隔離故障，將輸入端與電路其余部分?jǐn)嚅_。還可以保護(hù)下游電路，因為故障不會通過箝位二極管傳導(dǎo)進(jìn)入系統(tǒng)。
用于開關(guān)、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)等的傳統(tǒng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)架構(gòu)，在器件輸入端和輸出端上均有ESD保護(hù)二極管。圖2顯示了ADI公司具有OVP功能的模擬開關(guān)的功能框圖。傳統(tǒng)輸入保護(hù)ESD二極管對被一個雙向ESD保護(hù)單元取代，其位于輸入端點(diǎn)(Sx)和內(nèi)部開關(guān)單元之間，觸發(fā)電壓約為70 V。因此在輸入端發(fā)生過壓時，開關(guān)輸入端的電平不再箝位到供電軌，開關(guān)輸入端可承受高達(dá)±55 V的電壓。雙向ESD保護(hù)單元提供高達(dá)5.5 kV HBM ESD防護(hù)能力。
圖2.具有OVP功能的模擬開關(guān)功能框圖
開關(guān)內(nèi)部故障檢測電路持續(xù)監(jiān)控輸入端電平，并將其與故障基準(zhǔn)電平（通常為VDD和VSS）相比較。當(dāng)輸入檢測到過壓狀態(tài)時，受影響的通道約在500 ns后關(guān)閉，輸入端進(jìn)入高阻態(tài)，將故障與任何敏感的下游電路完全隔離。在開關(guān)未作出反應(yīng)的這500 ns期間，開關(guān)輸出端的上下二極管對輸出電壓進(jìn)行箝位，同樣起到保護(hù)下游電路的作用。圖3顯示了該輸出電壓保護(hù)隨時間的變化。
圖3.輸出電壓隨時間的變化
該開關(guān)的高可靠性表現(xiàn)為如下方面：
±55 V交流和持續(xù)直流過壓保護(hù)
掉電保護(hù)高達(dá)±55 V
過壓故障防護(hù)
任何情況下都不會發(fā)生閂鎖
5.5 kV HBM ESD額定值
系統(tǒng)級保護(hù)電路
在系統(tǒng)層面，過壓保護(hù)、防閂鎖和EMC保護(hù)（ESD、EFT、浪涌）通常由一系列分立器件實(shí)現(xiàn)，由于信號路徑中存在的漏電流和額外電阻，所有這些器件都可能造成系統(tǒng)性能和精度下降。
借助ADI公司過壓故障防護(hù)器件的高可靠性，并結(jié)合單個瞬變電壓抑制器(TVS)和一個低值電阻(≤30 Ω)，ADG5412F可以承受高達(dá)16 kV IEC ESD（氣隙放電）、8 kV IEC ESD（接觸放電）、4 kV EFT和4 kV浪涌的高壓瞬變。圖4顯示了該保護(hù)電路。
正常工作條件下，TVS器件具有很高的對地阻抗。當(dāng)在系統(tǒng)輸入端存在一個大于TVS擊穿電壓的瞬變電壓時，TVS被擊穿并提供低阻抗接地路徑，將瞬變電流從開關(guān)輸入端轉(zhuǎn)移到地，從而輸入端電壓被箝位。TVS器件的重要參數(shù)包括：工作峰值反向電壓，低于此電壓便不會發(fā)生明顯的導(dǎo)通；擊穿電壓，在該電壓時發(fā)生一定程度的導(dǎo)通；以及最大箝位電壓，這是傳導(dǎo)額定最大電流時器件上的最大電壓。
圖4.保護(hù)電路圖
此電路依照IEC61000-4-2、IEC61000-4-4和IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)ADG5412F器件能夠承受非常高的IEC ESD、EFT和浪涌瞬變。
表1顯示了ADG5412F結(jié)合TVS器件和電阻的不同組合所測得的結(jié)果。
表1.TVS器件和電阻的不同組合的測試結(jié)果
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保護(hù) |
IEC ESD接觸(kV) |
氣隙(kV) |
EFT (kV) |
浪涌(kV) |
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33 V TVS和0 Ω電阻 |
5 |
未測試 |
3 |
4 |
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33 V TVS和10 Ω電阻 |
8 |
16 |
4 |
4 |
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45 V TVS和0 Ω電阻 |
4 |
未測試 |
2 |
4 |
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45 V TVS和15 Ω電阻 |
8 |
16 |
4 |
4 |
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54 V TVS和30 Ω電阻 |
8 |
16 |
4 |
4 |
ESD和EFT的激勵信號具有非常快速的上升時間，經(jīng)過初始過沖后，瞬變被TVS器件箝位。引起過沖的原因是TVS對上升時間非常快的ESD/EFT脈沖的響應(yīng)速度不夠快，因此需要一個小電阻來提高ESD/EFT防護(hù)水平，如表1所示。
TVS選擇
選擇TVS器件時，務(wù)必確保其最大工作電壓既大于要保護(hù)的引腳的正常工作電壓，又大于接線錯誤引起的任何可能存在的已知系統(tǒng)過壓。TVS最大工作電壓與ADG5412F具有的±55 VOVP性能相結(jié)合，為TVS選擇提供了一個很寬的設(shè)計窗口。
圖5.TVS設(shè)計窗口
圖5顯示了一個與外部接口的系統(tǒng)輸入端的工作區(qū)域。最左邊的區(qū)域表示正常工作區(qū)間，輸入電壓位于電源電壓范圍以內(nèi)。左起第二個區(qū)域表示輸入端可能存在持續(xù)直流或長時間交流過壓的范圍，原因是斷電、接線錯誤或短路。另外，圖中最右側(cè)是ADG5412F內(nèi)部ESD保護(hù)二極管的觸發(fā)電壓。
TVS設(shè)計窗口區(qū)域取決于開關(guān)的±55 V過壓保護(hù)區(qū)間。該窗口由OVP開關(guān)的最大關(guān)態(tài)電壓與系統(tǒng)中可能存在的最大過壓之差決定。為保護(hù)系統(tǒng)輸入和敏感下游電路達(dá)到IEC標(biāo)準(zhǔn)的抗干擾要求，同時為了始終處在OVP開關(guān)的工作范圍以內(nèi)，應(yīng)選擇擊穿電壓在TVS設(shè)計窗口之內(nèi)的TVS。此設(shè)計窗口概念使得系統(tǒng)設(shè)計人員可以靈活選擇TVS，只要其擊穿電壓在這個很寬的電壓范圍以內(nèi)即可。
選擇TVS器件時，另一個要考慮的參數(shù)是其最大箝位電壓。在浪涌事件期間，當(dāng)越來越大的電流流過TVS器件時，TVS的箝位電壓可以升高到最大箝位電壓。對于TVS，此最大箝位電壓高于擊穿電壓。高擊穿電壓（如54 V）TVS的最大箝位電壓大于ADG5412F數(shù)據(jù)手冊中針對源極引腳規(guī)定的±55 V直流絕對最大額定值。但是，“浪涌測試，IEC61000-4-5”部分證明，在浪涌瞬變持續(xù)時間內(nèi)，ADG5412F可以承受大于直流最大額定值的電壓。這是因為浪涌瞬變的上升時間比ESD脈沖慢得多，故在浪涌瞬變持續(xù)時間內(nèi)，ADG5412F內(nèi)部ESD保護(hù)不會觸發(fā)。
系統(tǒng)級保護(hù)
在圖4所示電路中，分立TVS和電阻保護(hù)ADG5412F免受IEC ESD、EFT和浪涌事件影響。ADG5412F可保護(hù)電路免受過壓故障、閂鎖和熱插拔事件的影響。為了全面保護(hù)系統(tǒng)輸入免受ESD、EFT和浪涌事件影響，不僅要確保OVP器件(ADG5412F)能承受瞬變電壓，而且要確保充分抑制ADG5412F漏極(Dx)上離開開關(guān)的能量水平，避免下游器件受損。
圖6顯示了在IEC ESD、EFT和浪涌事件期間，用于量化ADG5412F輸出端輸出的能量水平的設(shè)置。
測試設(shè)置復(fù)制了一個典型系統(tǒng)，其中ADG5412F保護(hù)下游器件的輸入。上下二極管代表任何下游電路（如放大器或ADC）中存在的輸入ESD保護(hù)二極管。在瞬變事件期間，ADG5412F能夠有效降低到達(dá)下游器件的能量，下一部分中的數(shù)據(jù)證明了這一點(diǎn)。下游器件的輸入ESD保護(hù)二極管消除保護(hù)電路輸出端殘留的微小能量，就像在HBM ESD事件期間所做的一樣。
圖6.測試設(shè)置
靜電放電(ESD)
ESD是指靜電荷在不同電位的實(shí)體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場感應(yīng)引起。其特征是在短時間內(nèi)有高電流流過。
IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過程中對系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2規(guī)定要使用兩種耦合方法測試：接觸放電和氣隙放電。接觸放電是指放電槍直接與受測裝置相連。氣隙放電使用更高的測試電壓，但不會直接接觸受測裝置。
在氣隙放電測試期間，放電槍的充電電極朝向受測單元移動，直到氣隙上發(fā)生電弧放電。放電槍不與受測裝置直接接觸。氣隙測試的結(jié)果和可重復(fù)性會受到多種因素的影響，包括濕度、溫度、氣壓、距離和放電槍逼近受測裝置的速率。與接觸放電方法相比，氣隙放電方法能夠更好地反映實(shí)際ESD事件，但可重復(fù)性較差。
圖7顯示了規(guī)范所述的8 kV接觸放電電流波形。需要注意的關(guān)鍵波形參數(shù)是不到1 ns的快速上升時間、大約60 ns的短脈沖寬度和30 A的峰值電流。
圖7.IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)
該測試是按單次放電進(jìn)行的。測試點(diǎn)可能承受至少10次正極放電和10次負(fù)極放電。推薦的放電間隔為1秒。
將ESD脈沖施加于保護(hù)電路輸入端時，經(jīng)過初始過沖后，輸入端電壓由TVS器件(SMAJ54CA)箝位在54 V。由于脈沖持續(xù)時間非常短（大約60 ns），所以ADG5412F內(nèi)部OVP電路沒有時間作出反應(yīng)，將下游電路與ESD事件隔離開來。但是，ADG5412F輸出端的內(nèi)部保護(hù)二極管變?yōu)檎瑢DG5412F的輸出電壓箝位在VDD + 0.7 V。
輸出端的這些內(nèi)部二極管可靠性很高，足以帶走大部分電流，從而保護(hù)下游器件，使系統(tǒng)免受初始8 kV ESD事件影響。
靜電放電測試，IEC61000-4-2
圖8顯示了IEC瞬變事件期間通過電路的電流路徑。大部分電流通過TVS器件分流到地（路徑I1）。路徑I2顯示了開關(guān)斷開所需的500 ns時間內(nèi)消散的電流。最后，路徑I3中的電流是下游器件必須承受的電流水平。
圖8.ESD事件期間的電流路徑
圖9顯示了在開關(guān)輸出端測得的電流，條件是將±8 kV IEC ESD接觸放電脈沖施加于ADG5412F輸入端，采用54 V TVS (Bourns SMAJ54CA)和30 Ω串聯(lián)電阻。在TVS箝位瞬變電壓之前有一個初始過沖（參見“TVS選擇”部分），以免觸發(fā)ADG5412F內(nèi)部ESD保護(hù)（需要30 Ω電阻）。在IEC ESD事件期間，在ADG5412F輸出端(Dx)測得的峰值電流僅有678 mA。
輸出端測得的峰值電流脈沖寬度大約為60 ns，可以與HBM ESD事件相比較。1 kV HBM ESD電擊的峰值電流約為660 mA，持續(xù)時間為500 ns。因此，在圖4所示的配置中使用ADG5412F時，8 kV IEC ESD電擊被衰減為不到1 kV的HBM ESD事件。這可以與下游器件的HBM ESD額定值相比較。
圖9.8 kV事件期間的漏極電壓和漏極(Dx)輸出電流
類似地，圖10顯示了在開關(guān)輸出端測得的電流，條件是將±16 kV IEC ESD氣隙放電脈沖施加于ADG5412F輸入端，采用54 V TVS (Bourns SMAJ54CA)和30 Ω串聯(lián)電阻。
圖10.16 kV氣隙放電事件期間的漏極電壓和漏極(Dx)輸出電流
在IEC ESD事件期間，在ADG5412F輸出端測得的峰值電流僅有680 mA，這幾乎與8 kV接觸放電測試結(jié)果相同。
電快速瞬變脈沖群(EFT)
EFT測試涉及將快速的瞬變脈沖群耦合到信號線上，以表征與外部開關(guān)電路關(guān)聯(lián)的瞬變干擾，這類電路能夠以容性方式耦合至信號線。這種測試反映了開關(guān)觸點(diǎn)抖動，或者因為感性或容性負(fù)載切換而產(chǎn)生的瞬變，而所有這些在工業(yè)環(huán)境中都很常見。IEC 61000-4-4中定義的EFT測試嘗試模擬因為這些類型的事件產(chǎn)生的干擾。
圖11顯示了EFT波形。輸出波形由重復(fù)的5 kHz高電壓瞬變突波組成。突波間隔300 ms，每個突波持續(xù)時間為15 ms。每個脈沖具有5 ns的上升時間(tR)和50 ns的持續(xù)時間(tD)，這些時間在波形的上升和下降沿的50%點(diǎn)之間測量。與ESD瞬變類似，單個EFT脈沖的特性也是快速上升時間和短脈沖寬度。單次脈沖的總能量類似于ESD脈沖。
IEC 61000-4-4規(guī)定這些快速突發(fā)瞬變通過容性箝位器耦合到輸入線路。EFT通過箝位器容性耦合到輸入線路，而不是直接接觸。為了在系統(tǒng)級測試中復(fù)制此耦合板，將一個0.5 μF耦合電容連接到IC輸入端。這是依照IEC 62215標(biāo)準(zhǔn)，它是IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)的IC級版本。
將這些EFT脈沖施加于保護(hù)電路輸入端時，會以類似ESD事件的方式抑制電流。經(jīng)過初始過沖后，4 kV EFT電壓被54 V TVS器件箝位，未導(dǎo)向TVS的大部分殘留電流被ADG5412F輸出端內(nèi)部的高可靠性的二極管帶走。對于每個突波中的每個脈沖，都會重復(fù)這個保護(hù)動作。
圖11.IEC 61000-4-4 EFT波形
EFT測試，IEC61000-4-4
圖12顯示將±4 kV IEC EFT脈沖施加于ADG5412F器件輸入端，采用54 V TVS和30 Ω串聯(lián)電阻。在EFT突波的一個脈沖期間，輸出端測得的峰值電流僅有420 mA。
類似于ESD事件，該峰值電流脈寬大約60 ns，可以與HBM ESD事件相比較。750 V HBM ESD電擊的峰值電流約為500 mA，持續(xù)時間為500 ns。因此，在圖5所示的配置中使用ADG5412F時，可將4 kV IEC EFT電擊衰減為不到750 V的HBM ESD事件，這是大部分現(xiàn)代IC都能承受的。
圖12.單次脈沖的EFT電流
浪涌
浪涌瞬變通常由開關(guān)操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關(guān)瞬變的起因可能是電力系統(tǒng)切換、配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障（例如安裝時與接地系統(tǒng)形成短路和電弧故障）。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些浪涌現(xiàn)象影響的情況下用于評估電子電氣設(shè)備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。
標(biāo)準(zhǔn)的波形由波形發(fā)生器產(chǎn)生，用于表征開路電壓和短路電流事件。標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種波形。10 μs/700 μs組合波形用于測試要連接到對稱通信線路（如電話交換線路）的端口。1.2 μs/50 μs組合波形用于所有其他情形，特別是短距離信號連接。
圖13.IEC 61000-4-5浪涌1.2 μs/50 μs波形
圖13顯示1.2 μs/50 μs浪涌瞬變波形。ESD和EFT擁有類似的上升時間、脈沖寬度和能量級別。但是，浪涌脈沖的上升時間要慢得多(1.2 μs)，持續(xù)時間要長得多，脈沖寬度為50 μs，這兩個值均遠(yuǎn)大于ESD脈沖和EFT的單個脈沖。浪涌脈沖的能量級別可以比ESD或EFT脈沖能量級別高出三到四個數(shù)量級。因此，浪涌瞬變被認(rèn)為是最嚴(yán)苛的EMC瞬變規(guī)范。在浪涌事件期間，輸入端電壓被TVS器件箝位。由于浪涌事件持續(xù)時間為50 μs，因此具有OVP功能的開關(guān)有充足的時間作出反應(yīng)，隔離下游電路。僅僅經(jīng)過500 ns，ADG5412F的OVP功能便將下游器件與瞬變隔離。事實(shí)上，這是將50 μs浪涌輸入變成500 ns脈沖，顯著降低傳輸?shù)较掠纹骷哪芰俊?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;" />
浪涌測試，IEC61000-4-5
將±4 kV浪涌脈沖施加于ADG5412F輸入端時（采用54 V TVS和30 Ω串聯(lián)電阻），輸出端測得的峰值電流為616 mA。
圖4所示的保護(hù)電路將具有潛在破壞性的長時間高電流浪涌事件衰減成持續(xù)不到500 ns、峰值電流為608 mA的短時間事件。相比之下，1 kV HBM ESD事件的峰值電流約為660 mA，持續(xù)時間為500 ns。
圖14顯示了500 ns后的開關(guān)動作，將漏極與浪涌事件隔離。
圖14.浪涌事件期間OVP工作原理
結(jié)論
本文討論的保護(hù)架構(gòu)顯示了如何利用ADG5412F并結(jié)合單個TVS器件和低值串聯(lián)電阻，保護(hù)系統(tǒng)輸入或輸出節(jié)點(diǎn)免受高達(dá)16 kV IEC ESD、4 kV EFT和4 kV浪涌瞬變電壓的影響。本應(yīng)用筆記還討論了所述的保護(hù)架構(gòu)如何將下游電路的保護(hù)需求降至僅相當(dāng)于1 kV HBM ESD的水平。此信息為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了設(shè)計系統(tǒng)輸入輸出保護(hù)電路并實(shí)現(xiàn)下列優(yōu)勢所需的知識：
簡化保護(hù)設(shè)計。
加速產(chǎn)品上市。
提高保護(hù)電路性能，因為所需的分立元件減少。
減小信號路徑中的串聯(lián)電阻阻值。
由于TVS設(shè)計窗口很寬，TVS選擇更方便。
達(dá)到下列標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級保護(hù)：
IEC61000-4-2 16 kV氣隙放電。
IEC61000-4-2 8 kV接觸放電。
IEC61000-4-4 4 kV。
IEC61000-4-5 4 kV。
交流和持續(xù)直流過壓保護(hù)高達(dá)±55 V。
掉電保護(hù)高達(dá)±55 V。
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