ESD二极管用于电压箝位

作者： Paul Blanchard 和 Brian Pelletier

摘要

当放大器发生外部过压状况时，ESD二极管是放大器与过电应力之间的最后防线。正确理解ESD单元在一个器件中是如何实现的，设计人员就能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实现方案，讨论每种方案的特点，并就如何利用这些单元来提高设计鲁棒性提供指南。

引言

有许多应用的输入不受系统控制，而是连接到外部世界，例如测试设备、仪器仪表和某些检测设备。对于此类应用，输入电压可能会超过前端放大器的额定最大电压，因而必须采用保护方案来维持设计的使用范围和鲁棒性。前端放大器的内部ESD二极管有时会用来箝位过压状况，但为了确保这种箝位能够提供充分可靠的保护，需要考虑许多因素。了解前端放大器内部的不同ESD二极管架构，以及具体保护电路的热影响和电子迁移影响，有助于设计人员解决保护电路相关的问题，并提高其在现场的使用寿命。

ESD二极管配置

应当明白，并非所有ESD二极管都是连接到电源和地的简单二极管箝位。有许多可能的方案可以采用，例如：多个二极管串联、二极管和电阻、背靠背二极管等。下面介绍一些较为常见的方案。

连接到电源的二极管

图1显示了一个放大器实例，二极管连接在输入引脚和电源之间。在正常工作条件下，二极管反偏，但当输入高于正电源电压或低于负电源电压时，二极管变为正偏。当二极管变为正偏时，电流经过放大器的输入端流至相应的电源。

对于图1所示电路，当过压超过+Vs时，放大器本身不会限制输入电流，需要外部增加串联电阻来限流。当电压低于–Vs时，400 Ω电阻会起到一定的限流作用，设计时应当纳入考虑中。


图1. AD8221的输入ESD拓扑结构

图2显示了一个具有相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。它与图1所示电路的区别不仅在于限流电阻R的值，还在于2.2 kΩ可保护电路不受+Vs以上电压的影响。这个例子复杂难懂，务必充分了解以便在使用ESD二极管时优化保护。


图2. AD8250的输入ESD拓扑结构

限流JFET

与图1和图2中的方案不同，IC设计可以使用限流JFET代替二极管箝位。图3显示了一个例子，当输入电压超过器件的额定工作范围时，JFET被用来保护器件。JFET输入使该器件自身就能耐受相反供电轨的最高40 V电压。由于JFET会限制流入输入引脚的电流，因此ESD单元无法用作额外的过压保护。

当需要最高40 V的电压保护时，此器件的JFET保护可提供严格受控的、可靠的、完全明确的保护方案。这常常与使用ESD二极管的保护方案相反，后者关于二极管限流的信息常常指定典型值，甚至完全不明确。


图3. AD8226的输入保护方案

二极管堆叠

在允许输入电压超过电源电压或地的应用中，可以使用二极管堆叠来防止输入受ESD事件的影响。图4所示的放大器就是采用堆叠二极管保护方案。该配置使用二极管串来防范负瞬变。在可用输入范围内，二极管串用于限制漏电流，但当超过负共模范围时，它就会提供保护。记住，二极管串的等效串联电阻是唯一的限流措施。对于给定电压，可使用外部串联电阻来降低输入电流。


图4. AD8417的低端输入保护方案

背靠背二极管

当允许输入电压范围超过电源电压时，也可使用背靠背二极管。图5所示的放大器采用背靠背二极管来为器件提供ESD保护，采用3.3 V电源供电时，其允许电压最高达到70 V。D4和D5是高压二极管，用于应对输入引脚上可能存在的高电压；当输入电压在正常工作范围以内时，D1和D2用于防止漏电流。在这种配置中，不建议使用这些ESD单元来提供过压保护，因为若超过高压二极管的最大反偏电压，很容易造成器件永久损坏。


图5. AD8418的高端输入保护方案

无ESD箝位

某些器件的前端没有ESD器件。很显然，如果没有ESD二极管，设计人员当然无法将其用于箝位。之所以提到这种架构，是因为在研究过压保护 (OVP) 时，需要注意这种情况。图6所示的器件仅使用大阻值电阻保护放大器。


图6. AD8479的输入保护方案

ESD单元用于箝位

除了解ESD单元如何实现之外，还必须知道如何利用这些结构提供保护。典型应用使用串联电阻来限制额定电压范围内的电流。

当放大器配置为图7所示时，或者输入受连接到电源的二极管保护时，输入电流限值可利用以下公式计算。


图7. ESD单元用于箝位

公式1用到一个假设，即VSTRESS > VSUPPLY。若非如此，应测得更精确的二极管电压并将其用于计算，而不要使用0.7 V的近似值。

下面是一个计算实例，其中放大器采用±15 V电源供电，要防范的输入过压高达±120 V，输入电流限制在1 mA。根据公式1，我们可以使用这些输入进行计算：
   

(1)


(2)


(3)

根据上述要求，RPROTECTION > 105 kΩ可将二极管电流限制在 1 mA以下。