解决模拟输入IEC系统保护问题

本文将要解决的两个题目

●若何根据 IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4 和 IEC 61000-4-5 规范的划定，对集成电路模仿输出和输入举行低压瞬变维护；

●若何设想体系输出输入维护电路。

EMC 规范

IEC 61000 是无关 EMC 鲁棒性的体系级规范。该规范中触及低压瞬变的三个部分为IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4 和 IEC 61000-4-5。这些是针对静电放电(ESD)、电倏地瞬变(EFT)和浪涌的体系级规范。这些规范界说了在施加这些瞬变影响的情况下用于评价电子电气设置装备摆设抗扰度的波形、测试要领和测试级别。

IEC 61000-4-2 测试的首要目标是肯定体系在运转过程当中对体系内部的ESD事情的免疫才能——比方，假如体系输出/输入接触到带电人体、电缆、对象时。IEC 61000-4-2划定要应用两种耦合要领测试：打仗放电和善隙放电。

IEC 61000-4-4 EFT测试触及将倏地的瞬变脉冲群耦合到旌旗灯号线上，以表征与内部开关电路联系关系的瞬变滋扰，这种电路可以或许以容性体式格局耦合至信号线。这类测试反应了开关触点颤动，或许由于理性或容性负载切换而发生的瞬变，而所有这些在工业环境中都很罕见。

浪涌瞬变平日由开关操纵造成的过压情形或雷击造成。开关瞬变的原由多是电力体系切换、配电体系中的负载变迁或种种体系毛病（比方装置时与接地体系构成短路和电弧毛病）。雷电瞬变的缘故原由可所以邻近的雷击将高电流和电压注入电路中。

瞬变电压抑制器

瞬变电压抑制器(TVS)能够用于按捺电压浪涌。用于箝位低压瞬 变，使大电流绕过敏感电路。TVS的基础参数为：

• 事情峰值反向电压：低于该值时不会产生显著导电征象的电压

• 击穿电压：即是该值时会产生划定导电征象的电压

• 最大箝位电压：器件上传导划定的最大电流的最大电压

在体系输出或输出上应用TVS器件时要思量多个要素。ESD或EFT事情会发生超快时候（1 ns至5 ns）的瞬变波形，在TVS器件箝位击穿电压以前，在体系输出上致使初始过冲电压。浪涌事情拥有分歧的瞬变波形，回升时候飞快(1.2 μs)，脉冲继续时间长(50 μs)；并且在该事情下，将在击穿电压下开端箝位电压，但大概始终增大至TVS最大箝位电压。此外，TVS必需高于大概由接线谬误、断电或用户谬误致使的任何答应直流过压，以维护体系，使其免受该直流过压事情的影响。所有三种情形都有可能在下流电路的输出上致使拥有潜伏毁坏感化的过压。

模仿输出维护电路

为了周全维护体系输出/输入节点，必需对体系举行直流过压和低压瞬变维护。在体系输出节点用一个鲁棒的周详型过压维护(OVP)开关，加之TVS，能够维护锐敏的下流电路（比方，模数转换器或放大器输出/输入），由于如许能够阻断过压、按捺未被TVS分流到地的残剩电流。

图2表现了一个典范过压维护开关的性能框图；注重，该开关的ESD维护二极管未以其输出节点上的电源电压为基准。相同，它有一个ESD维护单位，在跨越器件最大经受电压时激活，使器件能经受并阻断跨越其电源电压的电压。

因为模仿体系平日只请求开关的内向引脚接纳IEC维护，以是，ESD维护二极管依旧保留在外向引脚上（标记为开关输入端或漏极度）。这些二极管能带来额定的优点，由于它们起到辅佐维护器件的感化。在继续时候较短、回升时候快的低压瞬变（如ESD或EFT）过程当中，因为瞬变电压会被箝位，以是电压不会抵达下流电路。在继续时候较长、回升时候慢的低压瞬变（如浪涌）过程当中，在开关过压维护性能被激活、开关断开、使毛病完整与下流电路分手以前，外部维护二极管会箝位开关的输入电压。

图3表现了一个与内部接口的体系输出端的事情地区。最右边的地区（绿色）暗示失常事情区间，输出电压位于电源电压局限之内。左起第二个地区（蓝色）暗示输出端大概存在继续直流或长期交流过压的局限，原因是断电、接线谬误或短路。此外，图中最右边（紫色）是过压开关外部ESD维护二极管的触发电压。抉择的TVS击穿电压（橙色）必需小于过压维护开关的最大经受电压而且大于任何已知的大概继续直流或长期交流过压，以避免无意中触发TVS。

图4中的维护电路能够经受最高8 kV IEC ESD（打仗放电）、16 kV IEC ESD（氛围放电）、4 kV EFT和4 kV浪涌。ADG5412F（来自ADI 的±55 V过压维护和检测、四通道单刀双掷开关）能够经受ESD、EFT和浪涌瞬变致使的过压，过压维护电路与漏极上的维护二极管配合维护和断绝下流电路。表1展示的是ADG5412F在TVS击穿电压与电阻的种种组合下能够经受的低压瞬变电平。

表1. 测试效果（未在0 Ω电阻与33 V TVS及45 V TVS组合条件下举行IEC氛围放电测试）

图4也展示了低压瞬变事情过程当中的种种电流门路。大部分电流经由过程TVS器件分流到地（门路I1）。门路I2展示的是经由过程ADG5412F输入节点上的外部ESD损耗的电流，同时，输入电压被箝位于比电源电压高0.7 V的程度。最初，门路I3中的电流是下流器件必需经受的残剩电流程度。无关该维护电路的更多详情，请参阅ADI使用条记《应用ADG5412F解决模仿输出的IEC体系维护》（链接：）。

IEC ESD维护

图6和图7所示为在8 kV打仗放电和16 kV氛围放电IEC ESD事情在图5所示测试电路上的测试效果。如前所述，在TVS器件将电压箝位至54 V摆布以前，源引脚上有一个初始过压。在此过压过程当中，开关漏极上的电压被箝位于比电源电压高0.7 V的程度。漏极电流丈量效果展示的是流入下流器件二极管中的电流。脉冲峰值电流约为680 mA，电流继续时候约为60 ns。相比之下，1 kV HBM ESD电击的峰值电流为660 mA，继续时候为500 ns。咱们是以能够得出论断觉得，在接纳这类维护电路的条件下，HBM ESD额定值为1 kV的下流器件应该能经受8 kV打仗放电和16 kV氛围放电IEC ESD事情。

EFT维护

图8是在4 kV EFT事情的一个脉冲丈量效果。与ESD过程当中产生情形近似，在TVS器件将电压箝位至54摆布以前，源引脚上有一个初始过压。在此过程当中，开关漏极上的电压再次被箝位于比电源电压高0.7程度这类情况下，流入下流器件中的脉冲峰值电流仅为420 mA，电流继续时候仅约为90 ns异样与HBM ESD事情相比，750 kV HBM ESD的电压的峰值电流为500 mA继续时候为500 ns是以，在4 kV EFT事情时期，能量被传输下流器件的引脚上，该能量少于750 kV HBM ESD事情下的能量。

浪涌维护

图9中是将4 kV浪涌瞬变施加到维护电路输出节点丈量效果。如前所述，源电压大概增大跨越TVS击穿电压始终达到最大箝位电压。该电路维护开关反映时候约为500 ns而且在这前500 ns的时间内，器件漏极上的电压被箝位于比电源电压高0.7程度。在此时期以及约500 ns下流器件的峰值电流仅为608 mA，开关封闭下流电路毛病断绝异样，这里的能量少于1 kV HBM ESD事情时期传输的能量。

总结

• 简化维护设想

• 减小旌旗灯号门路串连电阻阻值

• 达到以下规范体系维护

• IEC 61000-4-2 16 kV氛围放电

• IEC 61000-4-2 8 kV打仗放电

• IEC 61000-4-4 4 kV

• IEC 61000-4-5 4 kV

• 掉电维护可达±55V