散热器|前端放大器中使用ESD二极管作为电压钳的设计( 二 )

图 4：AD8417 的低边输入保护方案
背对背二极管
当输入电压范围允许超过电源时，也使用背对背二极管。图 4 显示了一个放大器，它采用背对背二极管为器件提供 ESD 保护，该器件允许使用 3.3V 电源提供高达 70V 的电压。 D4 和 D5 是高压二极管，用于隔离输入引脚上可能存在的高压， 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压很容易导致造成永久性损坏的情况。

图 5：AD8418 的高端输入保护方案
无 ESD 钳位
某些设备在前端不包括 ESD 设备。虽然很明显，如果 ESD 二极管不存在，设计人员就不能使用 ESD 二极管进行钳位，但在研究过压保护 (OVP) 选项时，提到这种架构是一种需要注意的情况。图 6 显示了一个仅使用大值电阻器来保护放大器的设备。

图 6：AD8479 的输入保护方案
ESD 单元作为夹具
除了了解如何实施 ESD 单元之外，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。
当放大器按图 7 所示配置或输入受电源二极管保护时，输入电流将使用以下公式中的公式进行限制。

图 7：使用 ESD 单元作为夹具
用于公式 1 的假设是 Vstress>Vsupply 。如果不是这种情况，则应测量更精确的二极管电压并将其用于计算，而不是 0.7V 近似值。
下面是一个计算示例，用于保护使用 +/-15V 电源的放大器，免受高达 +/-120V 的输入应力，同时将输入电流限制为 1mA 。使用等式 1 ，我们可以使用这些输入来计算以下内容。

鉴于这些要求， Rprotection >105 kΩ 会将二极管电流限制为 <1 mA 。
了解当前的限制
Idiode 的最大值会因部件而异，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，与在应用程序的整个 20 年以上任务配置文件生命周期中不断施加电流的情况下，最大电流将有所不同。可以在绝对最大值部分或应用笔记的放大器数据表中找到有关特定值的指导，通常在 1mA -10mA 的范围内。
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，二极管中耗散功率的热影响和电流路径的最大额定电流。功耗应保持在一个阈值以下，以将工作温度保持在有效范围内，并且应选择电流在指定的最大值内，以避免由于电迁移引起的可靠性问题。
热影响

当电流流入 ESD 二极管时，由于二极管中的功耗会导致温度升高。大多数放大器数据表都指定了一个热阻（通常指定为 ? JA），该热阻将指示结温如何随功率耗散而增加。考虑最坏情况下的应用温度，以及由于功耗导致的最坏情况温度升高，将表明保护电路的可行性。

电迁移

即使电流不会引起热问题，二极管电流仍然会产生可靠性问题。由于电迁移，任何电信号路径都有一个最大寿命电流额定值。二极管电流路径的电迁移电流限制通常受与二极管串联的内部走线厚度的限制。此信息并不总是针对放大器发布，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。

电迁移可能成为问题的一个例子是当放大器正在监控并因此连接到独立于其自身电源轨的电压轨时。当有多个电源域时，电源排序可能会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、该电流在整个生命周期内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。