如何在設(shè)計(jì)中防止過(guò)電應(yīng)力造成的產(chǎn)品失效

芯片設(shè)計(jì)者在將一個(gè)運(yùn)放的敏感引腳引出芯片的時(shí)候，通常會(huì)想到用戶是否會(huì)認(rèn)真處理這個(gè)引腳？或只是粗心的把這個(gè)引腳直接和交流電連接起來(lái)？我們都希望設(shè)計(jì)出好產(chǎn)品，可以應(yīng)對(duì)用戶的極端使用。那么，如何在設(shè)計(jì)中防止過(guò)電應(yīng)力造成的產(chǎn)品失效呢？

OPA320是大多數(shù)典型運(yùn)放的一種，其最大額定參數(shù)表如圖1所示，它描述了芯片最大允許供電電壓、引腳最大允許輸入電壓和電流。根據(jù)參數(shù)表的附加說(shuō)明，如果限制引腳輸入電流，那么就不需要限制輸入電壓。內(nèi)部鉗位二極管允許±10mA的輸入電流。但是在輸入電壓超出正常值很多的情況下，限制輸入電流需要較大的輸入阻抗，這會(huì)增加噪聲，降低帶寬，同時(shí)還可能產(chǎn)生其它錯(cuò)誤。

鉗位二極管在輸入電壓超過(guò)電源軌大約0.6V時(shí)開始導(dǎo)通。通常，許多設(shè)備可以承受較大電流，但是當(dāng)電壓急劇增加時(shí)，設(shè)備失效的概率就會(huì)增加。

通過(guò)添加外部二極管可以大大提高設(shè)備耐受大電流的能力，同時(shí)也可以提高設(shè)備的防護(hù)等級(jí)。市場(chǎng)上常見的傳輸信號(hào)二極管，比如無(wú)處不在的1N4148，具有非常低的導(dǎo)通壓降（實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示，其至少比運(yùn)放內(nèi)部二極管低100mV）。在與運(yùn)放內(nèi)部二極管并聯(lián)后，當(dāng)遇到輸入過(guò)流時(shí)，大多數(shù)電流將流向外部的二極管。

肖特基二極管具有更低的導(dǎo)通電壓，這種特性可以提升保護(hù)性能。但缺點(diǎn)也很明顯，它的漏電流太大了。室溫下，它的反向漏電流通常是微安級(jí)或者更大，同時(shí)，隨著溫度的升高而增加。

另外，你還需要一個(gè)足夠強(qiáng)大的電源。鉗位二極管，無(wú)論是運(yùn)放內(nèi)部或者外部的，都需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電源來(lái)釋放能量。如果故障脈沖很大，灌入電源軌過(guò)多的電流，提高（或拉低負(fù)電源）電源電壓，那么脈沖會(huì)使電源端承受過(guò)大的電壓應(yīng)力，如圖2所示。典型的線性電源不能吸收電流，因此不要指望使用它做為電源有多穩(wěn)定。大的旁路電容可以用來(lái)吸收大的故障脈沖電流。對(duì)于連續(xù)的故障電流，可以在輸入引腳和電源上加用齊納二極管來(lái)解決。齊納二極管的反向擊穿電壓要?jiǎng)偤酶哂谙到y(tǒng)最大供電電壓，這樣僅僅在故障時(shí)，齊納二極管才會(huì)被導(dǎo)通。對(duì)于正負(fù)供電系統(tǒng)，需要在兩個(gè)電源軌分別設(shè)計(jì)相同的保護(hù)電路。

盡管采取了這些措施，引腳輸入電壓仍可能超過(guò)最大額定參數(shù)表中的值，但問(wèn)題關(guān)鍵在于：最大額定參數(shù)表中的值通常過(guò)于保守；在這個(gè)電壓或者電流下芯片損壞幾乎是不可能的。一般來(lái)說(shuō)，大幅超過(guò)這些參數(shù)，器件也不太可能損壞（但不保證）。鉗位到比最大額定參數(shù)表中的值高幾伏的電壓，同時(shí)獲得較低的失效率是很容易的。在許多情況下，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在成本和性能折中的情況下降低失效率。

沒有哪一種方案可以應(yīng)對(duì)所有的情況，也沒有一種保護(hù)電路可以同時(shí)滿足所有需求。在不同應(yīng)用中，保護(hù)電路方案差別很大。不同運(yùn)放的靈敏度不同，所需保護(hù)等級(jí)也存在很大差異。這可能會(huì)需要你有一定創(chuàng)造力，最好自己做自己的專家。雖然在極端的環(huán)境中做一些測(cè)試會(huì)損失一些運(yùn)放，但這是必要的。

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