關(guān)于ESD二極管詳解
以下文章來源于電子工程師筆記
摘要
當(dāng)放大器發(fā)生外部過壓狀況時(shí)，ESD二極管是放大器與過電應(yīng)力之間的最后防線。正確理解ESD單元在一個(gè)器件中是如何實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)人員就能通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)大大擴(kuò)展放大器的生存范圍。本文旨在向讀者介紹各種類型的ESD實(shí)現(xiàn)方案，討論每種方案的特點(diǎn)，并就如何利用這些單元來提高設(shè)計(jì)魯棒性提供指南。
引言
有許多應(yīng)用的輸入不受系統(tǒng)控制，而是連接到外部世界，例如測試設(shè)備、儀器儀表和某些檢測設(shè)備。對于此類應(yīng)用，輸入電壓可能會超過前端放大器的額定最大電壓，因而必須采用保護(hù)方案來維持設(shè)計(jì)的使用范圍和魯棒性。前端放大器的內(nèi)部ESD二極管有時(shí)會用來箝位過壓狀況，但為了確保這種箝位能夠提供充分可靠的保護(hù)，需要考慮許多因素。了解前端放大器內(nèi)部的不同ESD二極管架構(gòu)，以及具體保護(hù)電路的熱影響和電子遷移影響，有助于設(shè)計(jì)人員解決保護(hù)電路相關(guān)的問題，并提高其在現(xiàn)場的使用壽命。
ESD二極管配置
應(yīng)當(dāng)明白，并非所有ESD二極管都是連接到電源和地的簡單二極管箝位。有許多可能的方案可以采用，例如：多個(gè)二極管串聯(lián)、二極管和電阻、背靠背二極管等。下面介紹一些較為常見的方案。
連接到電源的二極管
圖1顯示了一個(gè)放大器實(shí)例，二極管連接在輸入引腳和電源之間。在正常工作條件下，二極管反偏，但當(dāng)輸入高于正電源電壓或低于負(fù)電源電壓時(shí)，二極管變?yōu)檎．?dāng)二極管變?yōu)檎珪r(shí)，電流經(jīng)過放大器的輸入端流至相應(yīng)的電源。
對于圖1所示電路，當(dāng)過壓超過+Vs時(shí)，放大器本身不會限制輸入電流，需要外部增加串聯(lián)電阻來限流。當(dāng)電壓低于–Vs時(shí)，400 Ω電阻會起到一定的限流作用，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)納入考慮中。
圖2顯示了一個(gè)具有相似二極管配置的放大器，但在本例中，電流受內(nèi)部2.2 kΩ串聯(lián)電阻的限制。它與圖1所示電路的區(qū)別不僅在于限流電阻R的值，還在于2.2 kΩ可保護(hù)電路不受+Vs以上電壓的影響。這個(gè)例子復(fù)雜難懂，務(wù)必充分了解以便在使用ESD二極管時(shí)優(yōu)化保護(hù)。
限流JFET
與圖1和圖2中的方案不同，IC設(shè)計(jì)可以使用限流JFET代替二極管箝位。圖3顯示了一個(gè)例子，當(dāng)輸入電壓超過器件的額定工作范圍時(shí)，JFET被用來保護(hù)器件。JFET輸入使該器件自身就能耐受相反供電軌的最高40 V電壓。由于JFET會限制流入輸入引腳的電流，因此ESD單元無法用作額外的過壓保護(hù)。
當(dāng)需要最高40 V的電壓保護(hù)時(shí)，此器件的JFET保護(hù)可提供嚴(yán)格受控的、可靠的、完全明確的保護(hù)方案。這常常與使用ESD二極管的保護(hù)方案相反，后者關(guān)于二極管限流的信息常常指定典型值，甚至完全不明確。
二極管堆疊
在允許輸入電壓超過電源電壓或地的應(yīng)用中，可以使用二極管堆疊來防止輸入受ESD事件的影響。圖4所示的放大器就是采用堆疊二極管保護(hù)方案。該配置使用二極管串來防范負(fù)瞬變。在可用輸入范圍內(nèi)，二極管串用于限制漏電流，但當(dāng)超過負(fù)共模范圍時(shí)，它就會提供保護(hù)。記住，二極管串的等效串聯(lián)電阻是限流措施。對于給定電壓，可使用外部串聯(lián)電阻來降低輸入電流。
背靠背二極管
當(dāng)允許輸入電壓范圍超過電源電壓時(shí)，也可使用背靠背二極管。圖5所示的放大器采用背靠背二極管來為器件提供ESD保護(hù)，采用3.3 V電源供電時(shí)，其允許電壓最高達(dá)到70 V。D4和D5是高壓二極管，用于應(yīng)對輸入引腳上可能存在的高電壓；當(dāng)輸入電壓在正常工作范圍以內(nèi)時(shí)，D1和D2用于防止漏電流。在這種配置中，不建議使用這些ESD單元來提供過壓保護(hù)，因?yàn)槿舫^高壓二極管的最大反偏電壓，很容易造成器件損壞。
無ESD箝位
某些器件的前端沒有ESD器件。很顯然，如果沒有ESD二極管，設(shè)計(jì)人員當(dāng)然無法將其用于箝位。之所以提到這種架構(gòu)，是因?yàn)樵谘芯窟^壓保護(hù) (OVP) 時(shí)，需要注意這種情況。圖6所示的器件僅使用大阻值電阻保護(hù)放大器。
ESD單元用于箝位
除了解ESD單元如何實(shí)現(xiàn)之外，還必須知道如何利用這些結(jié)構(gòu)提供保護(hù)。典型應(yīng)用使用串聯(lián)電阻來限制額定電壓范圍內(nèi)的電流。
當(dāng)放大器配置為圖7所示時(shí)，或者輸入受連接到電源的二極管保護(hù)時(shí)，輸入電流限值可利用以下公式計(jì)算。
公式1用到一個(gè)假設(shè)，即VSTRESS > VSUPPLY。若非如此，應(yīng)測得更精確的二極管電壓并將其用于計(jì)算，而不要使用0.7 V的近似值。
下面是一個(gè)計(jì)算實(shí)例，其中放大器采用±15 V電源供電，要防范的輸入過壓高達(dá)±120 V，輸入電流限制在1 mA。根據(jù)公式1，我們可以使用這些輸入進(jìn)行計(jì)算：
根據(jù)上述要求，RPROTECTION > 105 kΩ可將二極管電流限制在 1 mA以下。
了解限流
IDIODE最大值隨器件而不同，它還取決于施加過壓的特定應(yīng)用情形。持續(xù)數(shù)毫秒的一次性事件，與在應(yīng)用的全部20年或更多年的任務(wù)壽命中持續(xù)施加電流，其最大電流將會不同。具體指導(dǎo)值可在放大器數(shù)據(jù)手冊的絕對最大值部分或應(yīng)用筆記中找到，通常在1 mA至10 mA范圍內(nèi)。
故障模式
具體保護(hù)方案的最大電流額定值最終要受兩個(gè)因素的限制：二極管功耗的熱影響和電流路徑的最大電流額定值。功耗應(yīng)保持在閾值以下，使工作溫度始終處于有效范圍；所選電流應(yīng)在額定最大值范圍內(nèi)，以免電子遷移引起可靠性問題。
熱影響
當(dāng)電流流入ESD二極管時(shí)，二極管的功耗會引起溫度升高。多數(shù)放大器數(shù)據(jù)手冊指定了熱阻（通常指定?JA），它顯示了結(jié)溫升幅與功耗的關(guān)系?？紤]最差情況下的應(yīng)用溫度，以及功耗引起的最壞溫度升幅，可以判斷保護(hù)電路是否有效。
電子遷移
即使電流不引起熱問題，二極管電流也可能造成可靠性問題。由于電子遷移，任何電氣信號路徑都有一個(gè)最大壽命電流額定值。二極管電流路徑的電子遷移電流限值通常受與二極管串聯(lián)的內(nèi)部走線的厚度限制。放大器制造商不一定會發(fā)布此信息，但若二極管長時(shí)間工作（而不是工作很短時(shí)間），就需要予以考慮。
舉個(gè)例子，當(dāng)放大器監(jiān)控（因而連接到）一個(gè)獨(dú)立于其自身供電軌的電壓軌時(shí)，電子遷移便可能是一個(gè)問題。當(dāng)存在多個(gè)電源域時(shí)，可能會發(fā)生因電源時(shí)序問題而引起電壓暫時(shí)超過絕對最大條件的情況?？紤]最差情況下的電流路徑和在整個(gè)使用壽命中以此電流工作的持續(xù)時(shí)間，并了解電子遷移的最大允許電流，便可避免電子遷移引起可靠性問題。
結(jié)論
了解放大器內(nèi)部ESD二極管如何在過電應(yīng)力期間激活，有助于輕松提高設(shè)計(jì)的魯棒性。研究保護(hù)電路的熱影響和電子遷移影響，可以凸顯潛在的問題并顯示是否需要額外的保護(hù)?？紤]本文提出的條件可以讓設(shè)計(jì)人員作出明智選擇，避免在現(xiàn)場發(fā)生魯棒性問題。
