發布日期：2022-04-28 點擊率：70
作者：Art Kay 德州儀器
記得大學的時候，我們莫名其妙地將 120VAC 電源連接到了 5V 微控制器電源上。微控制器爆了，實驗室里到處都是陶瓷 DIP 器件的小碎片。這是我的第一次電氣過應力 (EOS) 經歷。
雖然可能很明顯不應該將 120V 電源連接到 5V 器件上，但怎么知道安全工作等級是多少呢？答案就在“絕對最大額定參數”表中，該表主要描述器件損壞前所能承受的最差情況輸入信號、電源電壓和溫度。表 1 是 OPA192 絕對最大額定參數的實例。在本博客中，我們將重點探討電源電壓和輸入信號。我還將寫一篇介紹其它參數的后續博客。
表 1：OPA192 的絕對最大額定參數表
在本實例中，絕對最大電源電壓對于單電源而言是 ±20V 或 40V。必須理解，絕對最大電源電壓（表 1 中 40V）不同于工作技術參數中的最大電源電壓（表 2 中的 36V）。超過絕對最大電源電壓會損壞器件，而超過工作技術參數中的最大電源電壓則意味著器件的精確度會降低到給定限值以下。因此在本例中，如果電源電壓被設定為 37V，那么器件精度可能會受到影響，但放大器不會損壞。
表 2：OPA192 的工作技術參數
電氣特性
在 TA = +25C 時，VCM = VOUT = VS/2，連接到 Vs/2 的 RLOAD = 10k?，另有說明除外。
既然理解了絕對最大額定參數表的意圖，那我們就來看看輸入信號。圖 1 列出了共模及最大差分輸入。共模信號是放大器任意輸入端上的電壓，而差分輸入信號則是應用在放大器兩個輸入端之間的電壓。在運算放大器正常工作時，差分輸入就是輸入失調電壓 (Vos)。然而在有些情況下，放大器可能應用了很大的差分電壓。例如，如果放大器作為比較器使用或連接至多路復用器，那么在多路復用器通道轉換時，輸入端可能會出現很大的差分電壓。圖 1 有助于理解共模輸入與差分輸入之間的區別。
圖 1：運算放大器的共模輸入與差分輸入
只要保持輸入信號小于絕對最大額定參數，放大器就不會損壞。這似乎很簡單，那為什么電氣過應力會成為這樣的問題呢？原因是放大器輸入終端經常暴露于外界。例如，某產品可能需要連接外部傳感器才能工作。在很多時候，外部連接有可能被錯誤連線至過大電壓。而在其它使用案例中，短暫的過壓浪涌可能會通過磁耦合或電容耦合應用。對于惡劣環境情況而言，不可能阻止過壓條件出現。在這些情況下有必要使用一些外部保護功能。
最簡單的外部保護形式是使用限流電阻器。注意，在表 2 中輸入終端電流必須限制在 10mA 或以下。該電流限值可用來選擇能夠防止過壓電源造成損壞的電阻器。圖 2 是內部運算放大器靜電放電 (ESD) 保護二極管（D1、D2、D3 和 D4）。ESD 二極管本身不是用來處理大量連續電氣過應力電流的，而是用來防范極短靜電放電脈沖（幾納秒內的幾千伏電壓）的。實際上，二極管額定允許的連續輸入電流僅為 10mA（見表 2 的輸入終端電流）。因此，輸入保護的關鍵是使用串聯電阻器 (Rp) 將輸入電流限制在 10mA 以下。注意，您需要查看產品說明書，以確認放大器中的輸入 ESD 二極管的配置情況。
圖 2：內部 ESD 二極管與限流電阻器
限流電阻器值的選擇取決于應用所預期的最差情況過應力電壓。公式 1 是假設 100V 過應力電壓下的計算實例。該公式由歐姆定律以及基爾霍夫圍繞環路的電壓定律推導得出。可使用更大的串聯保護電阻器實現更高的保護等級。
最后要注意的是，電源上需要配備瞬態電壓抑制器（D5 和 D6），以吸收過壓信號。瞬態電壓抑制器與齊納二極管類似，但它們通過大型結點區域進行了優化，可在短時間內快速吸收大功率。之所以需要這些二極管是因為電源可能無法吸收電流。此外，電源可能做出的響應速度不夠，不能防范過壓信號。必須確保針對該應用使用單向（而非雙向）電壓抑制器。
在這篇博客中，我們了解了如何使用串聯電阻器防止放大器輸入出現過電壓情況。在下一篇博客中，我們將討論絕對最大額定參數表中的其它額定參數。我希望該探討內容能幫助您避免出現我在大學時經歷的煙火場景。
如果您對此很感興趣，請務必關注我《電氣過應力簡介》系列文章中的其它內容。
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