RS-485总线电路中的过热保护
时间：09-30
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3．2 过热保护时驱动器输出电流与时间的关系
图5为短路时SN65LBC176A驱动器输出电流随时间变化曲线图，测试装置如图6所示。示波器的通道1是总线引脚电压Vbus。通道2是短路时总线引脚的短路电流。A点，由于短路时器件结温升高导致的热效应使TSD触发，驱动器输出三态,电流降低至0 mA。约2 μs后，电路结温下降，驱动器返回B点,如果A点后2μs内排除故障，驱动器返回到打开状态并正常工作。然而，短路依然存在，因此TSD循环打开和关闭,直至短路消失。短路消失后驱动器正常工作，而无需再次对器件上电。
由图5看出，TSD的持续时间约为4 μs。电流和电压波形均具有瞬变噪声信号，是由寄生电感、总线电容以及测试装置的电阻产生。寄生电感的感应冲击导致总线电压初始值很高。突变启动电压、寄生电感、总线电容以及测试装置的电阻将导致电压和电流波形振动和衰减，主要取决于LRC时间常数。应用中传输线效应使寄生电感减至最低,因此影响并不显著。
3．3 热关断电路
尽管TSD电路可使器件在短路时免于损坏,但若此类故障频繁产生，则TSD电路也无法保护器件。TSD电路主要用途是使器件免受短时间故障损坏，仅增加了可靠性。因此，建议设计人员应限制短时间故障的次数，从而保证长期的可靠性。
3．4 结温调节
短路电流(IOS)限制、电压模式检测、电流折返3种技术可用于结温调节。RS-485等数据传输标准通常需要限制IOS，可防止器件供电电源吸收电流过大，使器件不会由于故障立即损坏。由于TSD电路的时间常数比IOS限制电路的时间常数大，因此IOS限制是结温调节的主要措施。IOS电路可立即工作，而触发TSD电路则需要数百毫秒到几秒钟的时间。当器件的总线I／O电压超出推荐工作条件时,可采用电压模式检测关闭驱动器输出。Vbus增加时IOS下降，采用电流折返调节器件功耗。SN65HVD2X系列器件如SN65HVD20、SN65HVD21、SN65HVD22、SN65HVD23和SN65HVD24均支持此类短路限制。电流折返不仅限制功耗，更是为了使驱动器能够在驱动共模负载时保持导通。例如SN65HVD2X系列器件支持-20 V～+25 V的总线电压，当总线电压低于-20 V或超出+25 V时，检测启动电压模式,但不会限制支持的共模电压范围内的功耗。
4 过热保护的可靠性
为了保护器件，需使用TSD电路实现过热保护。当器件由于某些故障而处于过热时,TSD电路以及其他电路(包括稳压器)是可靠的解决方案。
4．1 不同热关断触发点
理论上TSD触发点可以不同,是TSD保护器件不受过热损坏的主要因素。如果TSD在高温下触发，会危及器件的可靠性。如果TSD在低温下触发,则会干扰器件正常工作。构建TSD电路的具体方式取决于不同的触发点。
器件参数指标中一般未给出热关断触发点。原因在于：第一，TSD触发点的生产试验周期很长,成本过高。TSD需要几百毫秒到几秒钟才触发,具体由硅的热时间常数决定。对于RS一485器件,通常试验时间为数百毫秒，因此，TSD触发点未经生产测试。第二，通过模拟或手工方式计算的TSD触发点极值通常并不精确。主要在于仿真模型和工艺技术数据一般仅限于温度不大于150°C。TSD电路在高于150°C触发时，模拟器或手工计算无法很好地对其仿真。TSD电路通常用简化公式来设计,手动归一化，然后在硅中调整规定的触发点。如果将额定触发点刻意调整至低于150°C，模拟器可以给出有关TSD触发点相对变化情况的信息。但是，不能提供绝对触发点的精确信息，除非模拟器设计为工作在150°C以下，而这并非器件所处的典型环境。
4．2 半导体材料最大允许温度
4．2．1 硅材料及扩散
硅本身能耐受远远超过150°C的高温。硅的熔点是1 415°C。不过，硅的有用温度范围受临界温度限制，临界温度远低于熔点。生产工艺过程中温度高于150°C且远低于1 415°C时,根据掺杂浓度的不同，半导体在某温度点变为本征态。半导体变为本征态,意味着形成半导体结的杂质的掺杂浓度不再是主导载体浓度。
4．2．2 电子迁移及闭锁
高温工作时还需要考虑电子迁移和闭锁。当半导体长时间暴露在高温下且流过大电流时，发生电子迁移,导致金属系统或互连半导体成为高阻状态。温度恒定时，如果施加足够大的电流且时间足够长，金属会变成阻性,最终熔断并导致器件发生故障。高温会加剧电子迁移，影响器件的长期可靠性，且与依靠TSD来应对的短时间故障无关。
闭锁是器件I／O或电源从I／O端连接的电源或器件电源吸收大量电流(通常为数百毫安秒)时产生的现象。引脚流出超过绝对最大额定值电流的时间太长或交流信号耦合机制的影响会造成闭锁。电源电压瞬变引发器件闭锁,导致I／O端出现振铃，振铃信号能量耦合I／O从而使其闭锁。闭锁的破坏性，取决于锁存引脚的阻抗、锁存时电源阻抗及兼容性以及结温。软闭锁不会破坏器件，但需要电源复位。闭锁是由半导体内部的双极性结引起的，由于双极增益随温度增加,因此高温时容易诱发闭锁事件。TSD电路可使器件结温保持在合理的水平，有助于防止闭锁。
图5为短路时SN65LBC176A驱动器输出电流随时间变化曲线图，测试装置如图6所示。示波器的通道1是总线引脚电压Vbus。通道2是短路时总线引脚的短路电流。A点，由于短路时器件结温升高导致的热效应使TSD触发，驱动器输出三态,电流降低至0 mA。约2 μs后，电路结温下降，驱动器返回B点,如果A点后2μs内排除故障，驱动器返回到打开状态并正常工作。然而，短路依然存在，因此TSD循环打开和关闭,直至短路消失。短路消失后驱动器正常工作，而无需再次对器件上电。
由图5看出，TSD的持续时间约为4 μs。电流和电压波形均具有瞬变噪声信号，是由寄生电感、总线电容以及测试装置的电阻产生。寄生电感的感应冲击导致总线电压初始值很高。突变启动电压、寄生电感、总线电容以及测试装置的电阻将导致电压和电流波形振动和衰减，主要取决于LRC时间常数。应用中传输线效应使寄生电感减至最低,因此影响并不显著。
3．3 热关断电路
尽管TSD电路可使器件在短路时免于损坏,但若此类故障频繁产生，则TSD电路也无法保护器件。TSD电路主要用途是使器件免受短时间故障损坏，仅增加了可靠性。因此，建议设计人员应限制短时间故障的次数，从而保证长期的可靠性。
3．4 结温调节
短路电流(IOS)限制、电压模式检测、电流折返3种技术可用于结温调节。RS-485等数据传输标准通常需要限制IOS，可防止器件供电电源吸收电流过大，使器件不会由于故障立即损坏。由于TSD电路的时间常数比IOS限制电路的时间常数大，因此IOS限制是结温调节的主要措施。IOS电路可立即工作，而触发TSD电路则需要数百毫秒到几秒钟的时间。当器件的总线I／O电压超出推荐工作条件时,可采用电压模式检测关闭驱动器输出。Vbus增加时IOS下降，采用电流折返调节器件功耗。SN65HVD2X系列器件如SN65HVD20、SN65HVD21、SN65HVD22、SN65HVD23和SN65HVD24均支持此类短路限制。电流折返不仅限制功耗，更是为了使驱动器能够在驱动共模负载时保持导通。例如SN65HVD2X系列器件支持-20 V～+25 V的总线电压，当总线电压低于-20 V或超出+25 V时，检测启动电压模式,但不会限制支持的共模电压范围内的功耗。
4 过热保护的可靠性
为了保护器件，需使用TSD电路实现过热保护。当器件由于某些故障而处于过热时,TSD电路以及其他电路(包括稳压器)是可靠的解决方案。
4．1 不同热关断触发点
理论上TSD触发点可以不同,是TSD保护器件不受过热损坏的主要因素。如果TSD在高温下触发，会危及器件的可靠性。如果TSD在低温下触发,则会干扰器件正常工作。构建TSD电路的具体方式取决于不同的触发点。
器件参数指标中一般未给出热关断触发点。原因在于：第一，TSD触发点的生产试验周期很长,成本过高。TSD需要几百毫秒到几秒钟才触发,具体由硅的热时间常数决定。对于RS一485器件,通常试验时间为数百毫秒，因此，TSD触发点未经生产测试。第二，通过模拟或手工方式计算的TSD触发点极值通常并不精确。主要在于仿真模型和工艺技术数据一般仅限于温度不大于150°C。TSD电路在高于150°C触发时，模拟器或手工计算无法很好地对其仿真。TSD电路通常用简化公式来设计,手动归一化，然后在硅中调整规定的触发点。如果将额定触发点刻意调整至低于150°C，模拟器可以给出有关TSD触发点相对变化情况的信息。但是，不能提供绝对触发点的精确信息，除非模拟器设计为工作在150°C以下，而这并非器件所处的典型环境。
4．2 半导体材料最大允许温度
4．2．1 硅材料及扩散
硅本身能耐受远远超过150°C的高温。硅的熔点是1 415°C。不过，硅的有用温度范围受临界温度限制，临界温度远低于熔点。生产工艺过程中温度高于150°C且远低于1 415°C时,根据掺杂浓度的不同，半导体在某温度点变为本征态。半导体变为本征态,意味着形成半导体结的杂质的掺杂浓度不再是主导载体浓度。
4．2．2 电子迁移及闭锁
高温工作时还需要考虑电子迁移和闭锁。当半导体长时间暴露在高温下且流过大电流时，发生电子迁移,导致金属系统或互连半导体成为高阻状态。温度恒定时，如果施加足够大的电流且时间足够长，金属会变成阻性,最终熔断并导致器件发生故障。高温会加剧电子迁移，影响器件的长期可靠性，且与依靠TSD来应对的短时间故障无关。
闭锁是器件I／O或电源从I／O端连接的电源或器件电源吸收大量电流(通常为数百毫安秒)时产生的现象。引脚流出超过绝对最大额定值电流的时间太长或交流信号耦合机制的影响会造成闭锁。电源电压瞬变引发器件闭锁,导致I／O端出现振铃，振铃信号能量耦合I／O从而使其闭锁。闭锁的破坏性，取决于锁存引脚的阻抗、锁存时电源阻抗及兼容性以及结温。软闭锁不会破坏器件，但需要电源复位。闭锁是由半导体内部的双极性结引起的，由于双极增益随温度增加,因此高温时容易诱发闭锁事件。TSD电路可使器件结温保持在合理的水平，有助于防止闭锁。
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