影響電路魯棒性的設(shè)計(jì)因素思考

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介紹

安森美半導(dǎo)體的魯棒性，操作溫度范圍是什么?高電氣噪聲如何處理?有關(guān)ESD和故障保護(hù)的怎么樣?這些問(wèn)題不一定是設(shè)計(jì)工程師在選擇IC時(shí)認(rèn)為的第一件事情。盡管如此，魯棒性是一個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)行和可靠，信譽(yù)良好的高端產(chǎn)品的關(guān)鍵性能參數(shù)。這是在惡劣的工作環(huán)境是常見(jiàn)的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)更是如此。工業(yè)設(shè)備，可以接觸到廣泛的溫度，高電氣噪聲的電源線或數(shù)據(jù)線，如ESD或短路故障事件。

今天事實(shí)上集成電路在工業(yè)環(huán)境中的溫度標(biāo)準(zhǔn)是-40°C至+85°C時(shí)，“擴(kuò)展”+15°C間高于標(biāo)準(zhǔn)-40°C至+70°C的幾年前溫度范圍。行業(yè)的趨勢(shì)是越來(lái)越高的溫度下工作，并最終在新的期望將在-40°C至+125°C汽車行業(yè)。更高的電流和功率密度使它明顯的IC公司必須設(shè)計(jì)電路承受更寬的溫度范圍... 被冷落的決策過(guò)程。

處理電壓瞬變

經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電壓瞬變電源線，因?yàn)榻泳€不正確的或意外的短褲。如果投入得不到保障，這些瞬變可能會(huì)損壞下游電路。系列保險(xiǎn)絲具有瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管組成一個(gè)簡(jiǎn)單的和謹(jǐn)慎的電路歷來(lái)被用來(lái)保護(hù)對(duì)大多數(shù)瞬態(tài)電壓(圖1)。

圖1。瞬態(tài)電壓保護(hù)電路使用謹(jǐn)慎組件。

瞬態(tài)保護(hù)使用謹(jǐn)慎組件，然而，有其自身的局限性。TVS二極管保護(hù)閾值往往不能得到很好的控制，并且可以隨溫度急劇變化。另外，發(fā)生過(guò)壓條件后，需要更換保險(xiǎn)絲。最后，大的瞬態(tài)需要大量的TVS二極管消耗的電路板空間和消耗額外的熱量。

更多的控制方式來(lái)管理過(guò)電壓和瞬態(tài)事件，是保護(hù)閾值和反應(yīng)電路集成到一個(gè)集成電路。每次以確保可靠的響應(yīng)，內(nèi)部比較器和二極管的監(jiān)督和保護(hù)IC 設(shè)計(jì)。一些集成電路集成了數(shù)據(jù)線的高電壓故障保護(hù)。為了保護(hù)本身不受損壞，故障保護(hù)裝置將鎖定時(shí)超過(guò)正常的數(shù)據(jù)線的電壓等級(jí)。這樣的一個(gè)例子是MAX4708復(fù)用器家庭的。MAX4708/MAX4709包括兩個(gè)故障檢測(cè)：一高邊高于積極軌NO_電壓探測(cè)器(V +)，和低端探測(cè)器NO_低于負(fù)軌電壓(V)(圖2)的。當(dāng)在NO_電壓超過(guò)供電軌，在這一點(diǎn)上，N1和P1的場(chǎng)效應(yīng)管都關(guān)閉發(fā)生故障情況。這種方法迅速斷開(kāi)輸入和輸出的開(kāi)關(guān)故障時(shí)，情況發(fā)生。

圖2。在MAX4708/MAX4709的功能框圖。

與RS-485收發(fā)器，也可以管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的電壓瞬變。接收器輸入和輸出驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)RS-485 收發(fā)器，可能會(huì)接觸到比-7V至+12 V 共模 EIA/TIA-485標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)系統(tǒng)在指定的范圍內(nèi)顯著更高的電壓。新的收發(fā)器已設(shè)計(jì)能夠承受這些電壓事件，現(xiàn)在甚至可以承受高達(dá)±80V(地面)無(wú)損傷。這個(gè)國(guó)家的最先進(jìn)的技術(shù)確保了可靠的保障和業(yè)務(wù)長(zhǎng)壽。

防止ESD和故障

集成ESD電路保護(hù)IC ESD事件的損壞，并有助于使整個(gè)系統(tǒng)更健壯。

靜電放電(ESD)，另一種過(guò)壓事件發(fā)生時(shí)，兩種材料具有不同的電勢(shì)接觸，傳輸存儲(chǔ)的靜電荷，并產(chǎn)生火花。人與周圍環(huán)境的相互作用，往往會(huì)產(chǎn)生靜電火花。這些無(wú)意的火花可以改變的半導(dǎo)體器件的性能，降低或完全摧毀它。ESD是一個(gè)嚴(yán)重的工業(yè)問(wèn)題，估計(jì)每年造成數(shù)十億美元的賠償金。ESD事件發(fā)生在事業(yè)領(lǐng)域單個(gè)組件故障，有時(shí)甚至是災(zāi)難性的系統(tǒng)故障。

可以使用外部分立元件電路的ESD二極管和其他類型的保護(hù)數(shù)據(jù)線。許多IC器件集成了某種程度的ESD保護(hù)IC本身不需要進(jìn)一步的外部保護(hù)。圖3顯示了一個(gè)非常簡(jiǎn)化的功能框圖，一個(gè)共同的綜合保障計(jì)劃。尖峰電壓信號(hào)輸入/輸出(I / O的)被鉗位到V CC或GND和保護(hù)內(nèi)部電路。許多接口產(chǎn)品和模擬開(kāi)關(guān)，集成ESD保護(hù)設(shè)計(jì)符合IEC 1000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，馬克西姆最近取得其PROFIBUS的RS-485收發(fā)器，ESD 人體模型(HBM)的水平±35千伏MAX14770E。

圖3。簡(jiǎn)化集成ESD保護(hù)電路。

結(jié)論

雖然魯棒性的工作溫度范圍，ESD和短路故障及線路保護(hù)，涵蓋了從不同組的設(shè)計(jì)問(wèn)題，它不是通常的第一件事就是設(shè)計(jì)工程師地址。這可能是一個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤。在工業(yè)市場(chǎng)中的應(yīng)用需要強(qiáng)大的零部件能夠承受惡劣環(huán)境與領(lǐng)土。早在這些應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮魯棒性。