电子发烧友网>模拟技术> > 正文

使用ESD二极管作为电压钳

2021年10月14日 15:03 次阅读

在输入不受系统控制而是连接到外部世界的许多应用中,例如测试设备、仪器仪表和一些传感设备,输入电压可能会超过前端放大器的最大额定电压。在这些应用中,必须实施保护方案以保持设计的生存范围和稳健性。 

前端放大器的内部 ESD 二极管有时用于钳位过压条件,但需要考虑许多因素以确保这些钳位能够提供足够而强大的保护。了解前端放大器内部的各种 ESD 二极管架构,以及了解给定保护电路的热和电迁移影响,可以帮助设计人员避免其保护电路出现问题并提高其在现场应用的使用寿命。

ESD 二极管配置

重要的是要了解并非所有 ESD 二极管都是连接到电源和接地的简单二极管钳位。可以使用多种可能的实现方式,例如串联多个二极管、二极管和电阻器以及背对背二极管。下面详细介绍了一些更常见的实现。  

二极管连接到电源
 

图 1 显示了在输入引脚和电源之间连接有二极管的放大器示例。二极管在正常工作条件下反向偏置,但当输入上升到高于正电源电压或低于负电源电压时变为正向偏置。当二极管正向偏置时,电流会通过放大器的输入流到相应的电源。 

在图 1 中的电路的情况下,当过压超过 +Vs 时,输入电流本身不会受到放大器本身的限制,并且需要以串联电阻器的形式进行外部电流限制。当电压低于 –Vs 时,400Ω 电阻会提供一些电流限制,这应该被纳入任何设计考虑因素。

contenteetimes-images-01steve-t-esddiodesasvclampsadi-f1x600.jpg

图 1:AD8221 的输入 ESD 拓扑

图 2 显示了一个具有类似二极管配置的放大器,但在这种情况下,电流受到内部 2.2kΩ 串联电阻的限制。这与图 1 所示电路的不同之处不仅在于限制 R 的值,而且还在于 2.2kΩ 可防止电压高于 +Vs。这是使用 ESD 二极管时必须充分理解以优化保护的复杂性示例。

contenteetimes-images-01steve-t-esddiodesasvclampsadi-f2x600.jpg

图 2:AD8250 的输入 ESD 拓扑

限流 JFET
 

与图 1 和图 2 中的实施方式相比,限流 JFET 可以在 IC 设计中用作二极管钳位的替代方案。图 3 显示了一个示例,其中当输入电压超过器件的指定工作范围时,JFET 用于保护器件。该器件通过 JFET 输入从相反的电源轨获得高达 40V 的固有保护。因为 JFET 会限制进入输入引脚的电流,所以 ESD 单元不能用作额外的过压保护。 

在需要高达 40V 的电压保护时,该器件的 JFET 保护提供了一个控制良好、可靠、完全指定的保护选项。这通常与使用 ESD 二极管进行保护形成对比,其中关于二极管电流限制的信息通常指定为典型信息,或者可能根本没有指定。

contenteetimes-images-01steve-t-esddiodesasvclampsadi-f3x600.jpg

图 3:AD8226 的输入保护方案

二极管堆栈

在允许输入电压超过电源电压或接地的应用中,可以使用一组二极管来保护输入免受 ESD 事件的影响。图 4 显示了一个实施堆叠二极管保护方案的放大器。在此配置中,二极管串用于防止出现负瞬态。二极管串用于限制可用输入范围内的漏电流,但在超过负共模范围时提供保护。请记住,唯一的电流限制是二极管串的等效串联电阻。外部串联电阻可用于降低给定电压电平的输入电流。

contenteetimes-images-01steve-t-esddiodesasvclampsadi-f4x600.jpg

图 4:AD8417 的低边输入保护方案

背对背二极管

当输入电压范围允许超过电源时,也使用背对背二极管。图 4 显示了一个放大器,它采用背对背二极管为器件提供 ESD 保护,该器件允许使用 3.3V 电源提供高达 70V 的电压。D4 和 D5 是高压二极管,用于隔离输入引脚上可能存在的高压,D1 和 D2 用于在输入电压在正常工作范围内时防止漏电流。在这种配置中,不建议使用这些 ESD 单元进行过压保护,因为超过高压二极管的最大反向偏压很容易导致造成永久性损坏的情况。

contenteetimes-images-01steve-t-esddiodesasvclampsadi-f5x600.jpg

图 5:AD8418 的高端输入保护方案


 

无 ESD 钳位

某些设备在前端不包括 ESD 设备。虽然很明显,如果 ESD 二极管不存在,设计人员就不能使用 ESD 二极管进行钳位,但在研究过压保护 (OVP) 选项时,提到这种架构是一种需要注意的情况。图 6 显示了一个仅使用大值电阻器来保护放大器的设备。 

contenteetimes-images-01steve-t-esddiodesasvclampsadi-f6x600.jpg

图 6:AD8479 的输入保护方案

ESD 单元作为夹具

除了了解如何实施 ESD 单元之外,了解如何利用结构进行保护也很重要。在典型应用中,串联电阻用于限制指定电压范围内的电流。

当放大器按图 7 所示配置或输入受电源二极管保护时,输入电流将使用以下公式中的公式进行限制。

contenteetimes-images-01steve-t-esddiodesasvclampsadi-e1x600.jpg


 

contenteetimes-images-01steve-t-esddiodesasvclampsadi-f7x600.jpg

图 7:使用 ESD 单元作为夹具

用于公式 1 的假设是 Vstress>Vsupply。如果不是这种情况,则应测量更精确的二极管电压并将其用于计算,而不是 0.7V 近似值。

下面是一个计算示例,用于保护使用 +/-15V 电源的放大器,免受高达 +/-120V 的输入应力,同时将输入电流限制为 1mA。使用等式 1,我们可以使用这些输入来计算以下内容。

contenteetimes-images-01steve-t-esddiodesasvclampsadi-e123x600.jpg

鉴于这些要求,Rprotection >105 kΩ 会将二极管电流限制为 <1 mA。

了解当前的限制

Idiode 的最大值会因部件而异,并且还取决于施加应力的特定应用场景。对于持续几毫秒的一次性事件,与在应用程序的整个 20 年以上任务配置文件生命周期中不断施加电流的情况下,最大电流将有所不同。可以在绝对最大值部分或应用笔记的放大器数据表中找到有关特定值的指导,通常在 1mA -10mA 的范围内。  

故障模式

给定保护方案的最大额定电流最终将受到两个因素的限制,二极管中耗散功率的热影响和电流路径的最大额定电流。功耗应保持在一个阈值以下,以将工作温度保持在有效范围内,并且应选择电流在指定的最大值内,以避免由于电迁移引起的可靠性问题。

热影响
 

当电流流入 ESD 二极管时,由于二极管中的功耗会导致温度升高。大多数放大器数据表都指定了一个热阻(通常指定为 Ө JA),该热阻将指示结温如何随功率耗散而增加。考虑最坏情况下的应用温度,以及由于功耗导致的最坏情况温度升高,将表明保护电路的可行性。

电迁移

即使电流不会引起热问题,二极管电流仍然会产生可靠性问题。由于电迁移,任何电信号路径都有一个最大寿命电流额定值。二极管电流路径的电迁移电流限制通常受与二极管串联的内部走线厚度的限制。此信息并不总是针对放大器发布,但如果二极管长时间处于活动状态,而不是瞬态事件,则需要考虑。 

电迁移可能成为问题的一个例子是当放大器正在监控并因此连接到独立于其自身电源轨的电压轨时。当有多个电源域时,电源排序可能会导致电压暂时超过绝对最大条件。通过考虑最坏情况下的电流路径、该电流在整个生命周期内可能处于活动状态的持续时间,并了解电迁移的最大允许电流,可以避免由于电迁移引起的可靠性问题。

结论

了解放大器的内部 ESD 二极管在电气过载事件期间如何被激活,可以简单地改进设计的稳健性。检查保护电路的热和电迁移影响可以突出潜在问题并指出可能需要额外保护的地方。考虑此处列出的条件,设计人员可以做出明智的选择并避免现场潜在的稳健性问题。 

fqj

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播

电子发烧友观察

一线报道 · 深度观察 · 最新资讯
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

萨科微半导体SLKOR十多种产品系列

深圳市萨科微半导体有限公司(www.slkormicro.com)近年来的发展是越发迅猛,现已成为功....
发表于 2021-10-15 15:14 27次阅读
萨科微半导体SLKOR十多种产品系列

限流保护电路是如何进行工作的

限流保护电路最基本的原理是什么? 限流保护电路是如何进行工作的? ...
发表于 2021-10-15 06:55 0次阅读
限流保护电路是如何进行工作的

ESD选型的几个误区

点击关注不迷路ESD选型的几个误区1.电容越小越好吗?适合的才是最好的,每种IC都有通信速率,不要追....
发表于 2021-10-14 18:54 4次阅读
ESD选型的几个误区

应用于汽车电子产品中的TVS二极管介绍

对于从事汽车电子产品的企业来说,汽车电子产品的过电压、过电流、防浪涌保护措施是必不可缺少的。甚至有些....
发表于 2021-10-14 17:21 31次阅读
应用于汽车电子产品中的TVS二极管介绍

TVS瞬态电压抑制二极管有哪些应用

TVS瞬态电压抑制二极管的原理是什么? TVS瞬态电压抑制二极管有哪些特性? TVS瞬态电压抑制二极管有哪些应...
发表于 2021-10-14 14:16 0次阅读
TVS瞬态电压抑制二极管有哪些应用

esd是指什么 esd的原理解析

不同静电势(电位差)的物体或表面之间的静电电荷转移,称为静电放电。
发表于 2021-10-14 11:56 204次阅读
esd是指什么 esd的原理解析

瑞萨电子推出具备业界超高EFT抗扰度的5V RS...

新型RS-485/422差分收发器为工业与自动化应用提供±5000V的EFT抗扰度和高达±16000....
发表于 2021-10-14 11:23 562次阅读
瑞萨电子推出具备业界超高EFT抗扰度的5V RS...

常用的二极管有哪几种?它们有何区别

常用的二极管有哪几种?它们有何区别? 整流二极管1N4007的相关参数有哪些? ...
发表于 2021-10-14 10:59 0次阅读
常用的二极管有哪几种?它们有何区别

前端放大器中使用ESD二极管作为电压钳的设计

在输入不受系统控制而是连接到外部世界的许多应用中,例如测试设备、仪器仪表和一些传感设备,输入电压可能....
发表于 2021-10-14 09:53 326次阅读
前端放大器中使用ESD二极管作为电压钳的设计

二极管的反偏电压与反向电流有何关系

二极管的反偏电压与反向电流有何关系? 饱和失真和截止失真都是非线性失真吗? ...
发表于 2021-10-14 08:24 0次阅读
二极管的反偏电压与反向电流有何关系

二极管是如何工作的

二极管是如何工作的? 二极管有哪些应用? ...
发表于 2021-10-14 06:28 0次阅读
二极管是如何工作的

ESD器件如何接地?

点击原文关注我们ESD器件如何接地?首先我们来了解一下接地的种类,接地分为数字地、模拟地、信号地、交....
发表于 2021-10-13 18:07 13次阅读
ESD器件如何接地?

小型封装ESD保护二极管的型号汇总

其中DFN0603封装,业内也称为0201封装。0201封装尺寸的ESD静电保护器件,与上一代040....
发表于 2021-10-13 17:12 136次阅读
小型封装ESD保护二极管的型号汇总

普通二极管和肖特基二极管的伏安特性如何

普通二极管和肖特基二极管的伏安特性如何...
发表于 2021-10-13 08:57 0次阅读
普通二极管和肖特基二极管的伏安特性如何

低电压系列TVS瞬态抑制保护二极管型号介绍

市场对于低电压TVS瞬态抑制二极管的需求还是很大的,常有客户询3.3V、5V、6V、7V、8V、9V....
发表于 2021-10-12 16:59 266次阅读
低电压系列TVS瞬态抑制保护二极管型号介绍

德州仪器两款芯片获TOP10 Power产品奖

近日,德州仪器旗下LM25149和LMG3525R030-Q1两款芯片分别获得由 21ic 电子网评....
发表于 2021-10-11 16:46 172次阅读
德州仪器两款芯片获TOP10 Power产品奖

如何判断三极管的cbe极?如何判断mos管的gds?

什么是二极管的正偏? 如何判断三极管的cbe极?如何判断mos管的gds? 用万用表测量之前必须弄明白测量什么信号,用什...
发表于 2021-10-11 06:44 0次阅读
如何判断三极管的cbe极?如何判断mos管的gds?

ESD二极管_便携式电子防静电管的选型

ESD防静电二极管的封装形式极为多样,且体积基本偏小,便携式电子产品基本对防护器件的封装有需求,ES....
发表于 2021-10-09 18:27 23次阅读
ESD二极管_便携式电子防静电管的选型

TVS瞬态抑制二极管DO-15封装型号介绍

TVS瞬态抑制二极管直插封装形式有:DO-41、DO-15、DO-201、P600等等,接下来重点要....
发表于 2021-10-09 17:30 239次阅读
TVS瞬态抑制二极管DO-15封装型号介绍

小型气象传感器有哪些特点?

小型气象传感器有哪些特点?超声波传感器都是通过声音(和超声波)穿过的流体的运动来传递。电声换能器使用....
发表于 2021-10-09 16:40 94次阅读
小型气象传感器有哪些特点?

五要素传感器新品

五要素传感器FT-WQX5仔细查看雨量传感器的各个元器件是否存在灰尘、树叶等杂质,承水器内是否村子蜘....
发表于 2021-10-09 15:02 47次阅读
五要素传感器新品

二极管输出波形不正确

在进行二极管整流测试时,给定一个幅值为2V的正弦输入,输出电压幅值会随频率增大而减小。但是数据手册中标明范围在...
发表于 2021-10-09 14:46 791次阅读
二极管输出波形不正确

如何对发光二极管进行仿真

如何对发光二极管进行仿真?其仿真结果怎样?...
发表于 2021-10-09 09:37 0次阅读
如何对发光二极管进行仿真

最大整流电流是指什么

最大整流电流是指什么? 二极管型号有哪些? ...
发表于 2021-10-09 06:33 0次阅读
最大整流电流是指什么

普通ESD和回扫ESD特性对比

点击蓝字关注我们普通ESD和回扫ESD对比如今是5G时代,相比4G线路程控设备等,5G信号的传输速度....
发表于 2021-10-08 18:55 17次阅读
普通ESD和回扫ESD特性对比

洲明成为全球Mini LED显示屏创新制造的“航...

全球最大规模的LED显示屏智造基地,在洲明科技大亚湾科技园落成。
发表于 2021-10-08 09:34 1784次阅读
洲明成为全球Mini LED显示屏创新制造的“航...

LED灯与传统灯具相比有哪些优缺点

LED英文名称light-emitting diode,中文名称发光二极管,是一种常用的发光器件。L....
发表于 2021-10-02 12:12 594次阅读
LED灯与传统灯具相比有哪些优缺点

LED和OLED两者有什么区别

LED英文名称light-emitting diode,中文名发光二极管,是一种发光器件。OLED英....
发表于 2021-10-02 11:10 795次阅读
LED和OLED两者有什么区别

抗干扰神器光耦方面的知识梳理

光隔离器,也称光耦。在电路设计中大量应用设计,今天来梳理一下光耦方面的知识。光耦虽简单,但也有些地方....
发表于 2021-09-30 10:14 364次阅读
抗干扰神器光耦方面的知识梳理

吉时利皮安计在雪崩光电二极管反向电流测量的应用

皮安计是针对各种工业现场的实际需求设计生产的,它的应用十分广泛,如测量绝缘材料电阻(率)、光电二极管....
发表于 2021-09-29 11:41 25次阅读
吉时利皮安计在雪崩光电二极管反向电流测量的应用

先科ST、Nxp品牌电子元器件的购买选择

先科ST、Nxp品牌电子元器件的购买选择,一些常见电子元器件大品牌,大家在元器件选型时可以如何做参考....
发表于 2021-09-28 18:18 81次阅读
先科ST、Nxp品牌电子元器件的购买选择

典型的电路保护方法及关键器件

电路保护技术的未来 相信很多人都有这样一个感觉:现在的U盘比前几年的产品要“结实”多了,即使频繁热插....
发表于 2021-09-23 16:45 336次阅读
典型的电路保护方法及关键器件

什么是二极管的反向恢复时间

二极管的结电容分两种:势垒电容和扩散电容。而一般数据手册给到的结电容参数,通常指的是势垒电容。 上面....
发表于 2021-09-22 15:07 455次阅读
什么是二极管的反向恢复时间

3.3V瞬态抑制TVS二极管参数的详细介绍

TVS瞬态抑制二极管种类有很多,工作电压基本在5V以上。那么,工作电压在3.3V的TVS二极管,有没....
发表于 2021-09-20 10:19 170次阅读
3.3V瞬态抑制TVS二极管参数的详细介绍

DFN1006-2L(SOD-882)封装ESD...

在USB接口静电防护中,一般选用ESD二极管DW05-2R2P-S;在SD卡静电保护方案中,选用ES....
发表于 2021-09-20 10:16 85次阅读
DFN1006-2L(SOD-882)封装ESD...

TVS二极管阵列是什么,它的优势有哪些

ESD静电保护二极管、ESD静电保护器件、ESD静电二极管、ESD二极管、ESD静电保护管、ESD、....
发表于 2021-09-20 10:10 147次阅读
TVS二极管阵列是什么,它的优势有哪些

400W贴片TVS瞬态抑制二极管型号汇总

400W贴片瞬态抑制二极管,工作电压在33V,求推荐型号? 400W直插TVS二极管P4KE600C....
发表于 2021-09-20 10:03 110次阅读
400W贴片TVS瞬态抑制二极管型号汇总

蔬菜配送果蔬农残检测仪的特点

蔬菜配送果蔬农残检测仪的产品介绍【霍尔德仪器HED-NC16】农残检测仪的操作简单方便,便于携带,测....
发表于 2021-09-17 17:58 32次阅读
蔬菜配送果蔬农残检测仪的特点

Pasternack推出隧道二极管检波器新产品线

新型隧道二极管检波器覆盖100 MHz~26 GHz范围内的各宽带频段并具有快速脉冲响应上升时间 I....
发表于 2021-09-14 11:45 210次阅读
Pasternack推出隧道二极管检波器新产品线

Pasternack推出新型大功率PIN二极管同...

新型大功率PIN二极管开关采用的是GaN半导体技术 Infinite Electronics旗下品牌....
发表于 2021-09-14 11:28 253次阅读
Pasternack推出新型大功率PIN二极管同...

DCDC芯片中PCB Layout的设计要点

关于Buck和Boost的,我已经写了几篇,不过很少提到PCB Layout,这篇就说说PCB La....
发表于 2021-09-14 09:21 607次阅读
DCDC芯片中PCB Layout的设计要点

如何测试PIN光电二极管的光电导电流

光电二极管是一种将光转换成电流或电压的二极管或光电探测器, 这取决于它是否在光伏 (zero-bi-....
发表于 2021-09-13 13:55 75次阅读
如何测试PIN光电二极管的光电导电流

瑞能新一代软恢复Gen5二极管介绍

PCIM Asia—国际电力元件、可再生能源管理展览会开幕。一直以来,PCIM Asia都是国内外知....
发表于 2021-09-13 11:40 859次阅读
瑞能新一代软恢复Gen5二极管介绍

Nexperia表面贴装器件通过汽车应用的板级可...

BLR是一种评估半导体封装坚固性和可靠性的方法。测试遵循极为严格的程序,在十分注重安全性和可靠性的汽....
发表于 2021-09-10 15:52 579次阅读
Nexperia表面贴装器件通过汽车应用的板级可...

瑞能半导体将在PCIM Asia亮相

9月9日,PCIM Asia——国际电力元件、可再生能源管理展览会将正式开幕。作为亚洲地区专注电力电....
发表于 2021-09-06 15:38 383次阅读
瑞能半导体将在PCIM Asia亮相

怎样判断热释电红外传感器的好坏

热释电红外传感器是一种能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出的高灵敏度红外探测元件,它能将....
发表于 2021-09-01 10:27 1420次阅读
怎样判断热释电红外传感器的好坏

LED背光源的主要光源有哪些,是怎么工作的

众所周知,液晶屏作为一款玻璃制品,其本身是不能发光的,要想显示出清晰的图像,这就需要搭配同款的LED....
发表于 2021-08-28 11:42 204次阅读
LED背光源的主要光源有哪些,是怎么工作的

吉时利源表在二级管I-V测试的应用

I-V测试是二级管测试必不可少的项目。二极管I-V特性分析通常需要高灵敏电流表、电压表、电压源和电流....
发表于 2021-08-27 15:14 62次阅读
吉时利源表在二级管I-V测试的应用

低压降肖特基,VF低到0.3V

更多精彩内容请关注我们雷卯低压降肖特基,VF低到0.3V肖特基(Schottky)二极管也称肖特基势....
发表于 2021-08-26 17:09 96次阅读
低压降肖特基,VF低到0.3V

LED和OLED有什么区别

LED和OLED描述的完全是两码事好不好。
发表于 2021-08-26 15:27 4578次阅读
LED和OLED有什么区别

电源物料必须知道的小知识分享

今天给大家分享的是电源物料必备知识,包括PCB板简介、半导体器件等 编辑:jq
发表于 2021-08-25 11:33 296次阅读
电源物料必须知道的小知识分享

工厂常见的错误防静电方法 静电测试(ESD)方法

工厂常见的错误防静电方法 1.没有防静电产品检测仪器 2.地线接法不好 3.把防静电产品当成普通产品....
发表于 2021-08-24 17:51 798次阅读
工厂常见的错误防静电方法 静电测试(ESD)方法

ESD和SIS之间有何区别 安全联锁系统组成元件...

ESD——紧急停车系统ESD是英文Emergency Shutdown Device紧急停车系统的缩....
发表于 2021-08-24 16:37 514次阅读
ESD和SIS之间有何区别 安全联锁系统组成元件...

开关二极管开关特性说明

在开关电路中有两大类的开关: (1)机械式的开关,采用机械式的开关件作为开关电路中的元器件。 (2)....
发表于 2021-08-24 14:57 1629次阅读
开关二极管开关特性说明

3.3V的ESD二极管型号科普

不同的厂家,对ESD二极管的命名型号是不一样,没有统一的标准,但是,有一点可以肯定,根据各品牌ESD....
发表于 2021-08-24 14:46 477次阅读
3.3V的ESD二极管型号科普