使用ESD二极管作为电压钳位

作者：Paul Blanchard和Brian Pelletier

当对放大器施加外部过压条件时，ESD二极管是放大器和电气过应力之间的最后一道防线。通过正确了解ESD单元在器件中的实现方式，设计人员可以通过适当的电路设计大大扩展放大器的生存范围。本文旨在向读者介绍各种类型的ESD实现，讨论每种实现的特性，并就如何利用这些单元来提高设计的鲁棒性提供指导。

介绍

在许多输入不受系统控制而是连接到外部世界的应用中，例如测试设备、仪器仪表和一些检测设备，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鲁棒性。前端放大器的内部ESD二极管有时用于箝位过压条件，但需要考虑许多因素，以确保这些箝位提供充分和可靠的保护。了解前端放大器内部的各种ESD二极管架构，以及给定保护电路的热和电迁移影响，可以帮助设计人员避免保护电路出现问题，并延长现场应用的使用寿命。

静电放电二极管配置

重要的是要了解，并非所有ESD二极管都是简单的二极管箝位到电源和地。可以使用许多可能的实现方案，例如串联多个二极管、二极管和电阻以及背靠背二极管。下面详细介绍了一些更常见的实现。

连接到电源的二极管

图1所示为在输入引脚和电源之间连接二极管的放大器示例。二极管在正常工作条件下反向偏置，但当输入上升到正电源电压以上或低于负电源电压时，二极管会变为正向偏置。当二极管正向偏置时，电流通过放大器的输入流向相应的电源。

在图1电路中，当过压高于+V时，输入电流本身不受放大器本身的限制。S，并且需要串联电阻形式的外部电流限制。当电压低于 –V 时S400 Ω电阻提供一些电流限制，任何设计考虑因素都应考虑到这一点。

图1.AD8221的输入ESD拓扑。

图2所示为具有类似二极管配置的放大器，但在本例中，电流受内部2.2 kΩ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值R值，还在于2.2 kΩ可防止高于+V的电压S.这是在使用ESD二极管时必须充分了解以优化保护的复杂性的一个例子。

图2.AD8250的输入ESD拓扑。

限流型JFET

与图1和图2中的实现方式相反，限流JFET可用于IC设计，作为二极管箝位的替代方法。图3显示了一个示例，当输入电压超过器件的指定工作范围时，使用JFET来保护器件。该器件固有地通过JFET输入从相反的电源轨保护高达40 V。由于JFET将限制进入输入引脚的电流，因此ESD电池不能用作额外的过压保护。

当需要高达 40 V 的电压保护时，该器件的 JFET 保护提供了控制良好、可靠且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，后者通常将二极管电流限值的信息指定为典型值，或者可能根本没有指定。

图3.AD8226的输入保护方案

二极管组

在允许输入电压超过电源电压或地的应用中，可以使用二极管堆栈来保护输入免受ESD事件的影响。图4所示为采用堆叠二极管保护方案的放大器。在这种配置中，二极管串用于防止负瞬变。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。一个外部串联电阻可用于降低给定电压电平下的输入电流。

图4.AD8417的低侧输入保护方案

背靠背二极管

当允许输入电压范围超过电源时，也使用背靠背二极管。图4所示为一个放大器，该放大器采用背靠背二极管，在器件上提供ESD保护，采用3.3 V电源时允许电压高达70 V。D4 和 D5 是高压二极管，用于隔离输入引脚上可能存在的高电压，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置很容易导致造成永久性损坏的情况。

图5.AD8418的高边输入保护方案

无静电放电钳位

某些设备在前端不包括 ESD 设备。虽然很明显，如果没有ESD二极管，设计人员就不能使用ESD二极管进行箝位，但在研究过压保护（OVP）选项时，这种架构是需要注意的情况。图6所示器件仅使用大阻值电阻来保护放大器。

图6.AD8479的输入保护方案

ESD 单元作为钳位

除了了解如何实现ESD单元外，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。

当放大器配置如图7所示或输入由电源二极管保护时，使用下式限制输入电流。

图7.使用ESD单元作为夹具。

用于公式1的假设是V强调> V供应.如果不是这种情况，则应测量并使用更精确的二极管电压进行计算，而不是0.7 V近似值。

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

鉴于这些要求，R保护>105 kΩ时，二极管电流将限制在<1 mA。

了解当前的限制

I 的最大值二极管将因零件而异，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，最大电流将与在应用的整个 20 年或更长时间的任务配置文件生命周期中持续施加电流的情况不同。有关特定值的指导可在放大器数据手册的绝对最大值部分或应用笔记中找到，通常在1 mA至10 mA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：二极管中功耗的热影响和电流路径的最大额定电流。功耗应保持在将工作温度保持在有效范围内的阈值以下，并且应选择电流在规定的最大值内，以避免由于电迁移而导致的可靠性问题。

热影响

当电流流入ESD二极管时，由于二极管中的功率耗散，温度会升高。大多数放大器数据手册都指定了热阻（通常指定为 Tʩ贾），这将指示结温如何随功率耗散而升高。考虑最坏情况下的应用温度，以及由于功耗引起的最坏情况温度升高，将指示保护电路的可行性。

电迁移

即使电流不会导致热问题，二极管电流仍然可能产生可靠性问题。由于电迁移，任何电信号路径都有最大寿命电流额定值。二极管电流路径的电迁移电流限值通常受与二极管串联的内部走线厚度的限制。对于放大器，此信息并不总是公开，但如果二极管长时间处于活动状态，而不是瞬态事件，则需要考虑此信息。

电迁移可能成为问题的一个例子是，当放大器监控并因此连接到独立于其自身电源轨的电压轨时。当存在多个电源域时，电源排序可能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，该电流在使用寿命期间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二极管在电气过应力事件期间如何激活，可以简单地提高设计的鲁棒性。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。考虑此处概述的条件使设计人员能够做出明智的选择，并避免现场潜在的鲁棒性问题。

审核编辑：郭婷