- 保護(hù)CMOS電路不受電源過壓影響的方法
- 單電源系統(tǒng)方案
- 雙電源系統(tǒng)方案
- 開關(guān)電源/高噪聲環(huán)境方案
所有的IC工藝都存在相關(guān)的本征擊穿電壓，由此導(dǎo)致的最大電壓應(yīng)力將會(huì)施加于采用該工藝制造的任何器件。因此，所有IC制造商都會(huì)提供其器件產(chǎn)品的絕對(duì)最大額定值技術(shù)規(guī)格，一般是提供施加于器件任何引腳的最大電壓。
器件過壓指超過絕對(duì)最大額定值的應(yīng)力或電壓施加于該器件。本文重點(diǎn)討論CMOS和線性兼容CMOS器件的電源輸入過壓問題。
與IC工藝相關(guān)的本征擊穿電壓，就是指該工藝中的晶體管、嵌入式齊納二極管或其他此類元件會(huì)有一個(gè)確定的擊穿電壓。顯然，如果器件的正電源輸入(VDD)和負(fù)電源輸入(VSS)之間僅有一個(gè)此類元件，那么VDD — VSS的絕對(duì)最大額定電壓就是該元件的擊穿電壓。由于所需IC功能、硅片尺寸限制及其它因素影響，因此無法總是確保IC內(nèi)的任何單個(gè)元件上不會(huì)出現(xiàn)VDD - VSS。這意味著器件制造商將會(huì)選擇可施加于電源的有限電壓，以防器件受損。因此，器件制造商都會(huì)確定該限值，并在器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)上規(guī)定一個(gè)絕對(duì)最大額定值，以保證器件安全地處于擊穿電壓內(nèi)。器件的用戶也必須確保施加于器件的工作電壓處于絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)。那么，問題出在哪里呢？
電源尖峰
問題不是出在容易控制的電源穩(wěn)態(tài)值上，而是電源線路的電壓尖峰引起的。大部分系統(tǒng)中，此類電壓尖峰最可能發(fā)生在電源開啟和關(guān)閉期間。另外開關(guān)電源，或器件在擁有大型電機(jī)的高噪聲環(huán)境下工作時(shí)也可能產(chǎn)生電壓尖峰。在此期間，根據(jù)電源的輸出阻抗、電源的負(fù)載和電源的總體設(shè)計(jì)情況，電源電壓可能過沖明顯超過其標(biāo)稱值，并且在這種情況下，超過器件的絕對(duì)最大額定值（參見圖1）。
圖1. 電源開啟尖峰
過去一直都采用齊納和肖特基二極管等外部箝位元件，將電壓尖峰限制在足夠短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，防止對(duì)器件造成任何損害。但是，隨著CMOS和線性兼容CMOS工藝幾何尺寸的縮小，采用此類工藝制造的器件速度變得越來越快。
這意味著，在正常工作模式下，用戶可以享受到高速度、高帶寬等好處。但是，這也意味著采用更快工藝制造的元件要對(duì)更短暫的電源瞬態(tài)做出響應(yīng)。器件對(duì)約1 s或更短持續(xù)時(shí)間的電源瞬態(tài)做出響應(yīng)并不少見。這表明，使用齊納和肖特基二極管保護(hù)器件的傳統(tǒng)方法不再能夠可靠地保護(hù)器件。因?yàn)樵谠S多情況下，它們對(duì)電壓尖峰或瞬態(tài)的響應(yīng)速度要比器件的響應(yīng)慢，所以無法提供任何保護(hù)。
瞬態(tài)電壓抑制器為了提供充分的保護(hù)，保護(hù)元件需要對(duì)電壓尖峰或瞬態(tài)做出非常迅速的響應(yīng)。具有此功能的理想器件是瞬態(tài)電壓抑制器或TransZorb。TransZorb抑制器屬于PN硅瞬態(tài)電壓抑制器，具有電涌處理能力、極短的響應(yīng)時(shí)間和低串聯(lián)電阻特性。其響應(yīng)時(shí)間可低至1ns，同時(shí)箝位比（箝位電壓與標(biāo)稱電壓之比）較低。TransZorb保護(hù)器件的方式取決于實(shí)際應(yīng)用，下面將討論幾種不同情況。在任何情況下，TransZorb都應(yīng)盡可能靠近其所保護(hù)的器件， 以降低TransZorb和器件之間的電阻。
單電源系統(tǒng)
第一種情況是要保護(hù)的CMOS器件采用單電源軌供電。顯然，在此情況下，擊穿路徑在此單電源軌和器件的接地軌之間。這種情況下，如圖2所示，在電源軌與地之間連接單個(gè)瞬態(tài)抑制器就能可靠地保護(hù)器件，免受開關(guān)瞬態(tài)的影響。此TransZorb將通過箝位電源軌和接地軌之間的電壓差，保護(hù)器件不受兩軌的瞬態(tài)影響。TransZorb具有各種不同的電壓額定值，表I列出了針對(duì)部分常用電源電壓推薦的TransZorb產(chǎn)品型號(hào)。
圖2. 在單電源系統(tǒng)中使用TransZorb
雙電源系統(tǒng)
第二種情況是器件采用兩個(gè)供電軌供電。在此情況下，可能存在多個(gè)擊穿路徑。第一條在正負(fù)供電軌之間，第二條在正供電軌和地之間，第三條是在負(fù)供電軌和地之間。對(duì)于雙電源系統(tǒng)，有兩種保護(hù)方案。
有些情況下，如圖3所示，在兩條供電軌之間連接單個(gè)TransZorb便足以保護(hù)器件。這種情況下，TransZorb的電壓額定值等于兩個(gè)電源電壓之和。此單TransZorb配置假設(shè)一個(gè)電源出現(xiàn)尖峰時(shí)，另一個(gè)電源提供較低的輸出阻抗。[page]
圖3. 雙電源、單TransZorb配置
同時(shí)還假設(shè)出現(xiàn)尖峰時(shí)，兩個(gè)電源能夠提供額外的吸電流或源電流。如果這些假設(shè)成立，那么任一個(gè)電源出現(xiàn)尖峰時(shí)，所有三條擊穿路徑都可以受到保護(hù)。例如，如果正電源為+5 V，負(fù)電源為-15 V，則TransZorb的額定值為20 V。
假設(shè)+5V電源有+15V尖峰，TransZorb將對(duì)此作出反應(yīng)，吸收該尖峰并將電流吸至-15V電源。這意味著-15 V電源必須能夠提供額外吸電流。如果能做到這點(diǎn)，-15V電源的-15 V電平在尖峰期間就不會(huì)變化，并且TransZorb將確保正電源不會(huì)高出此電平20V以上。這意味著，正電源不會(huì)升至+5V以上，負(fù)電源不會(huì)改變-15 V電平，并且所有擊穿路徑都受到保護(hù)。表II針對(duì)一些常用雙電源電壓舉例推薦了部分TransZorb。
但在兩種情況下，在正負(fù)電源上采用單TransZorb方案卻不能始終保護(hù)器件。第一種情況如上所述，其中一個(gè)電源在尖峰期間不能提供額外吸電流或源電流，或者任一電源在尖峰期間不具有低輸出阻抗。此處應(yīng)注意，雖然在穩(wěn)態(tài)條件下電源可能存在一個(gè)低輸出阻抗，但其在開啟或關(guān)閉期間的阻抗可能會(huì)不同。以前面的例子說明，如果-15 V電源不能提供所需的尖峰吸電流，這意味著負(fù)電源不再處于-15V。TransZorb仍會(huì)將兩個(gè)電源箝位在一起，因此兩個(gè)電源之間的擊穿路徑受到保護(hù)。但是，任一電源的絕對(duì)值都不再明確固定。如果我們假設(shè)因?yàn)椴荒芴峁┪娏魇?15 V變?yōu)椋ū热纾?5 V，這意味著正電源變?yōu)?15 V。這可能會(huì)超出正電源與地之間的擊穿路徑，并導(dǎo)致器件損壞。
第二種情況，尖峰出現(xiàn)在接地線路而非任一條電源軌上。
例如，接地線路上的+10V正尖峰不會(huì)使TransZorb開啟，但地與負(fù)電源之間的電壓差現(xiàn)在是25V，這會(huì)超出負(fù)電源軌與地之間的擊穿電壓。
在這些情況下，推薦使用雙TransZorb方案，如圖4所示。
圖4. 雙電源、雙TransZorb配置
這種雙TransZorb方案可防止接地線路的電壓尖峰，同時(shí)在任一個(gè)電源不能在尖峰期間提供額外吸電流或源電流的情況下保護(hù)器件。此方案確保每個(gè)電源都受到單獨(dú)的保護(hù)，并且尖峰電流流向地。此方案采取與針對(duì)單電源系統(tǒng)相同的方式保護(hù)擊穿路徑免受各電源的影響。通過保護(hù)每個(gè)電源，兩個(gè)電源之間的擊穿路徑也受到保護(hù)，因此所有三條可能的擊穿路徑都受到保護(hù)。常用電源電壓的適用TransZorb值如表I所示。
開關(guān)電源/高噪聲環(huán)境
除上電以外，電源產(chǎn)生尖峰的另一種情況是使用開關(guān)電源的應(yīng)用。雖然開關(guān)電源可進(jìn)行調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)可能不足以將尖峰降低至1 s的持續(xù)時(shí)間。如果這些尖峰具有足夠的幅度和能量，它們也會(huì)對(duì)器件造成損害。環(huán)境本身噪聲較高及在電源軌和接地軌上產(chǎn)生尖峰的應(yīng)用也可能會(huì)出現(xiàn)問題。例如，器件在大電機(jī)條件下或在工業(yè)環(huán)境下工作等應(yīng)用。圖2、3和4中針對(duì)開啟/關(guān)閉尖峰所推薦的方案，同樣適用于防止高噪聲環(huán)境下產(chǎn)生的開關(guān)電源尖峰或電源尖峰。
本應(yīng)用筆記介紹的TransZorb方案可保護(hù)器件免受電源過壓影響。但如果不遵守推薦的電源時(shí)序，則不能防止對(duì)器件造成的損害。請(qǐng)參考制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)中的絕對(duì)最大額定值部分，查看器件是否具有特定電源時(shí)序，或者數(shù)字輸入是否無法在電源之前供電。
