設(shè)計(jì)在非標(biāo)準(zhǔn)操作保MAX2140的內(nèi)部ESD二極管

設(shè)計(jì)在非標(biāo)準(zhǔn)操作保MAX2140的內(nèi)部ESD二極管

摘要：在對(duì)MAX2140 SDARS接收器進(jìn)行熱插拔操作(接通電源或斷開(kāi)電源)時(shí)，可能使其內(nèi)部靜電放電(ESD)保護(hù)二極管失效，熱插拔不是該器件的標(biāo)準(zhǔn)操作。但這種情況會(huì)發(fā)生在很多應(yīng)用中，尤其是在汽車(chē)工業(yè)中，經(jīng)常會(huì)進(jìn)行熱插拔的操作。本文分析了熱插拔操作可能造成ESD二極管失效的原因，并幫助設(shè)計(jì)合理的電路來(lái)預(yù)防二極管的失效。

概述

在進(jìn)行裝配、測(cè)試和故障處理時(shí)，有時(shí)需要對(duì)MAX2140 SDARS接收器進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)操作。其中一個(gè)例子就是熱插拔操作，即在不關(guān)閉電源的情況下，直接將該器件與電路進(jìn)行連接或斷開(kāi)連接。熱插拔操作在汽車(chē)電子領(lǐng)域尤其常見(jiàn)，因?yàn)椴考哪K化設(shè)計(jì)，模塊之間的距離以及多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作的需求，常常需要重新連接模塊。

熱插拔操作如何導(dǎo)致二極管失效

熱插拔操作會(huì)導(dǎo)致瞬變，包括較大的電壓、浪涌電流、振鈴以及極性倒置。而這些瞬態(tài)過(guò)程的背后是能量交換、有限的充電/放電時(shí)間和自激等物理現(xiàn)象。

圖1所示是MAX2140的一個(gè)熱插拔操作。


圖1. 在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域MAX2140常見(jiàn)用法的圖解

在進(jìn)行熱插拔操作時(shí)，電纜接頭會(huì)產(chǎn)生壓降(如圖中紅色箭頭所示)。與此同時(shí)，天線(xiàn)模塊內(nèi)部的旁路電容呈短路狀態(tài)。這樣就會(huì)導(dǎo)致MAX2140電氣地的電位高于天線(xiàn)模塊的電氣地。而MAX2140的內(nèi)部ESD二極管與該IC的接地引腳16連接，所以這種地電位差就會(huì)在該二極管上產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間的正向電壓。該正向電壓的尖峰可能會(huì)超過(guò)器件的絕對(duì)最大額定值，即所謂的電過(guò)載(EOS)。二極管的正向電壓規(guī)定為-0.3V到+4.3V (V_{CC_}xx至GND、 VINANT至GND、AGCPWM至GND、VOUTANT至GND)。設(shè)計(jì)仿真表明-1.3V、電流為72mA時(shí)允許短時(shí)間的工作。

防止ESD二極管失效的設(shè)計(jì)

防止EOS的方法因具體應(yīng)用的不同而不同。這里所推薦的是一些常規(guī)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施：

1. 避免使用過(guò)多的電抗，如：儲(chǔ)能元件、旁路電容、RF噪聲抑制電感、較長(zhǎng)的連接線(xiàn)等。
2. 使浪涌電流繞行：為每一模塊提供較短的直接接地路徑；增加外部二極管，使其與內(nèi)部二極管并聯(lián)；將二極管跨接在大的線(xiàn)圈上。
3. 順序供電：按順序依次打開(kāi)電源；為內(nèi)部用戶(hù)推薦可編程延遲(Maxim擁有眾多的電源排序產(chǎn)品)。

以下設(shè)計(jì)實(shí)例(圖2)表示具有本地環(huán)路的MAX2140，增添的肖特基二極管能夠旁路浪涌電流。


圖2. MAX2140接收器和天線(xiàn)模塊之間改進(jìn)后的設(shè)計(jì)圖，所作改進(jìn)用以防止EOS。

具體的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施是：

• MAX2140接收器和天線(xiàn)模塊之間的電纜只有0.5Ω的電阻而沒(méi)有電感。
• 天線(xiàn)模塊具有一個(gè)100µF的旁路電容。
• 天線(xiàn)模塊的5V電源由MAX2140接收器提供。

讀者可能會(huì)問(wèn)，在最初的40µs瞬態(tài)過(guò)程中，通過(guò)電容的最大電流和電纜的最大壓降分別是多少。這些值可以通過(guò)以下表達(dá)式得到：



該表達(dá)式計(jì)算通過(guò)電容的瞬時(shí)電流，其中和可以用相應(yīng)的增量值來(lái)代替。其中，C是電容的電容值。



電容可在0V到5V范圍充電。



表示0到40µs之間的時(shí)間間隔。

通過(guò)旁路電容的電流可以用下式表示：



在40µs瞬態(tài)過(guò)程中，電纜壓降是：



該例子在電流為12.5A時(shí)電壓是6.25V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了內(nèi)部ESD二極管能夠允許的瞬態(tài)指標(biāo)。外加一個(gè)肖特基二極管可以將瞬態(tài)過(guò)程中的絕大多數(shù)浪涌電流旁路掉?？梢赃x擇適合脈沖應(yīng)用的肖特基二極管，基于圖2設(shè)計(jì)，當(dāng)用一個(gè)適當(dāng)電容將最大浪涌電流減小到一個(gè)可接受的范圍時(shí)，使用一段短電纜即可以顯著減小阻抗和壓降。

結(jié)論

對(duì)于器件的非標(biāo)準(zhǔn)使用(如MAX2140接收器的熱插拔操作)中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們需要用相應(yīng)的方法來(lái)解決。為了成功實(shí)現(xiàn)器件的非標(biāo)準(zhǔn)使用，必須在Maxim支持和同意的情況下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)計(jì)和合理的測(cè)試。

* 超過(guò)絕對(duì)最大額定值的應(yīng)力可能造成器件的永久性損壞,這些絕對(duì)最大額定值只是應(yīng)力額定值。在操作說(shuō)明書(shū)規(guī)定范圍外的條件下進(jìn)行的功能操作不包括在內(nèi)。在絕對(duì)最大額定值條件下工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響器件的穩(wěn)定性。