- 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制造商都會提供其器件產(chǎn)品的絕對最大額定值技術(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有一個確定的擊穿電壓。顯然，如果器件的正電源輸入(VDD)和負(fù)電源輸入(VSS)之間僅有一個此類元件，那么VDD — VSS的絕對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)的任何單個元件上不會出現(xiàn)VDD - VSS。這意味著器件制造商將會選擇可施加于電源的有限電壓，以防器件受損。因此，器件制造商都會確定該限值，并在器件的數(shù)據(jù)手冊上規(guī)定一個絕對最大額定值，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)時間內(nèi)，防止對器件造成任何損害。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更短暫的電源瞬態(tài)做出響應(yīng)。器件對約1 s或更短持續(xù)時間的電源瞬態(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)時間和低串聯(lián)電阻特性。其響應(yīng)時間可低至1ns，同時箝位比（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列出了針對部分常用電源電壓推薦的TransZorb產(chǎn)品型號。
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供電軌供電。在此情況下，可能存在多個擊穿路徑。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電源電壓之和。此單TransZorb配置假設(shè)一個電源出現(xiàn)尖峰時，另一個電源提供較低的輸出阻抗。[page]
圖3. 雙電源、單TransZorb配置
同時還假設(shè)出現(xiàn)尖峰時，兩個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，那么任一個電源出現(xiàn)尖峰時，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變化，并且TransZorb將確保正電源不會高出此電平20V以上。這意味著，正電源不會升至+5V以上，負(fù)電源不會改變-15 V電平，并且所有擊穿路徑都受到保護(hù)。表II針對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低輸出阻抗，但其在開啟或關(guān)閉期間的阻抗可能會不同。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仍會將兩個電源箝位在一起，因此兩個電源之間的擊穿路徑受到保護(hù)。但是，任一電源的絕對值都不再明確固定。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正尖峰不會使TransZorb開啟，但地與負(fù)電源之間的電壓差現(xiàn)在是25V，這會超出負(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，同時在任一個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)每個電源，兩個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)時間。如果這些尖峰具有足夠的幅度和能量，它們也會對器件造成損害。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序，則不能防止對器件造成的損害。請參考制造商數(shù)據(jù)手冊中的絕對最大額定值部分，查看器件是否具有特定電源時序，或者數(shù)字輸入是否無法在電源之前供電。
