如何避免EOS发生?这些特别的设计给你指点迷津
图13 输入端加入100μF/25V电解电容,可降低IC损毁风险。
电源IC输入端EOS两大产生原因
除了热插拔造成的冲击以外,还有其他一些状况可能造成电源IC输入端受到EOS的攻击:
USB输出端短路测试造成USB开关输入端损毁
图14显示的是一个典型的USB开关的应用电路图,有一个1μF的去耦电容放在靠近IC输入端的地方,电容前面有大约10公分的铜箔路径将它和5V主电源连接起来。
图14 USB应用电路示意图
USB埠都须要进行短路测试,这个测试通过一个开关来类比,IC须要在侦测到短路以后快速将其MOSFET开关关断。从图15中的实例可以看到,MOSFET开关关断的动作是有延时的,因而会有一个短时大电流流过IC之后关断才会发生。由于输入线有电感存在,此电感和输入端去耦电容C2会一起发生谐振,因而可在示波器上看见输入端出现了高压脉冲,这很可能超过IC的最高耐压能力并将其损毁。
图15 加入电解电容可有效控制电压峰值。
为了解决这样的可靠性隐患,用于热插拔风险防范的类似措施可以被纳入考虑范围,因此我们要在电路中加入类似电解电容的RC抑制电路。抑制电路的参数计算方法是类似的,我们可以利用开关关断过程的dI/dt计算电容的值。实际上,一个47μF的电解电容就可以将电压峰值控制在大约6V上,见图15所示。
立锜科技旗下全新的USB功率开关系列产品如RT9742已经考虑到上述的短路问题,大大缩短了对短路状态的检测时间,可以避免在短路测试时出现大电流。如图16所示,虽然输入电容仍然只有1μF,但IC输入端在测试时仍然处于安全区间内。
图16 新款USB功率产品可缩短短路检测时间。
Buck转换器反向偏置问题
工作在强制PWM模式下的Buck转换器如RT7285C在经由输出端反向偏置时会表现出Boost转换器的行为。假如转换器的输出端由高于预设输出电压的外部电源供电时,IC内部的下桥MOSFET会从输出端吸入电流,再与上桥MOSFET一起形成一个Boost转换器。如图17所示,该电路的输出端就由一个缓慢上升的5V电源供电,它的输入端电压将上升并最终将其ESD单元击穿。
图17 Boost转换器输出端由高于电压外部电源供电时,易将ESD单元击穿。
像这种电源反向偏置的情况并不经常发生,但在存在电池的系统中就很容易出现。又假如在某些设计中使用了动态电压调节技术(通过回馈网路对输出电压进行调节),如果输出电容很大,又恰好遇到了输出电压的设定突然变低,Boost的动作就会发生了。
运用两段式降压方案降低回馈网路高阻抗
两段式降压方案通常含有一级高压元件将电压降低到低于5V的电压,这样就可以用最高额定工作电压为5.5V的元件作为第二级来使用,它可能会再为系统提供一个更低的电压轨。在图18中,第一级采用17V的电流模式Buck转换器RT8297B将12V的电压转换为3.3V,低压差线性稳压器RT9193-25再从3.3V转出2.5V。
图18 Buck转换器电压转换示意图
RT8297B是采用内部补偿的Buck转换器,回馈电阻R1的值对误差放大器的增益会有影响,它必须被适当选择以得到合适的交叉频率。在此例中,输出电容是一只22μF的电容,这样就需要很高的R1值来维持稳定的工作,而高阻值的R1就导致了高阻抗的回馈网路。在通常情况下,这算不上一个问题,除非使用者用手去触碰回馈网路,或者是遇到PCB存在漏电状况,这时候的FB端就会受到干扰,导致输出电压的提高,严重的情况下就会导致线性稳压器的损坏。
有些电路设计者会故意用手去触碰以完成自己的测试,他们通过用手指触碰PCB上的不同位置来看会不会有电压抖动的现象,从而发现走线或是高阻的敏感位置。ACOT架构的Buck转换器或使用GM型误差放大器的电流模式转换器对回馈网路的阻抗就不太敏感,可以在这样的应用中予以采用。
输入电压过应力为造成电源IC损坏主要原因
电源IC的损坏经常是由于输入电压过应力造成的,这在电源热插拔导致出现过高电压尖峰或由线路电感和低ESR陶瓷电容形成谐振时就会发生。当电源IC输入端的ESD单元遇到超过其能量承担水准的冲击能量时就会被损坏。造成IC损坏的EOS能量通常要比正常的人体模式(HBM)ESD能量高好几倍。当ESD单元被损坏的时候,作为其承载体的矽晶圆也会受到伤害。在大多数情况下,承载体的损坏会直接导致功率级的不正常运作,引起直通短路、功率级烧毁等问题。
具有折返特性的ESD单元在被触发以后可能保持在低于工作电压的电压上,这会在被触发之后立即导致大电流的出现。由于热插拔事件和电源线上的谐振效应都会将电压尖峰引入IC输入端,因而在电源设计过程中必须对这样的瞬态过程
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