電磁兼容性

       IEC 61000規範定義了一組電磁兼容性(EMC)抗擾度要求
，適用於在住宅、商業和輕工業環境中使用的電氣和電子設備。這套規範中有三個重要的高壓瞬變規範：
       IEC 61000-4-2 ESD
       IEC 61000-4-4 EFT
       IEC 61000-4-5浪湧耐受性
       所有這些規範都定義了測試方法
，用以評估電子和電氣設備對指定現象的耐受性。

圖1.完整保護解決方案

過壓故障保護

       ADI公司高可靠性的故障防護開關和多路複用器產品組合（ADG5208F和ADG5412F）提供高達±55 V的OVP功能。這些器件還有高達±55 V的掉電保護
、過壓故障檢測、防閂鎖

、高達5.5 kV的HBM ESD防護等級。除了實現業界領先的高可靠性以外，這些具有OVP功能的開關還保持了業界領先的模擬性能
，可以應用於高阻抗以及低阻抗係統。

       斷電、熱插拔連接、電源時序問題和接線錯誤是持續直流或瞬變過壓的常見原因。將具有OVP功能的模擬開關放在係統的輸入或輸出節點

，就可以保護係統輸入和輸出免受在有電或無電情況下高達±55 V的de過guo壓ya影ying響xiang。該gai類lei模mo擬ni開kai關guan會hui隔ge離li故gu障zhang，將jiang輸shu入ru端duan與yu電dian路lu其qi餘yu部bu分fen斷duan開kai。還hai可ke以yi保bao護hu下xia遊you電dian路lu
，因yin為wei故gu障zhang不bu會hui通tong過guo箝qian位wei二er極ji管guan傳chuan導dao進jin入ru係xi統tong。

      用於開關、放大器、模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)等的傳統互補金屬氧化物半導體(CMOS)架構，在器件輸入端和輸出端上均有ESD保護二極管。圖2顯示了ADI公司具有OVP功能的模擬開關的功能框圖。傳統輸入保護ESD二極管對被一個雙向ESD保護單元取代
，其位於輸入端點(Sx)和內部開關單元之間
，觸發電壓約為70 V。因此在輸入端發生過壓時，開關輸入端的電平不再箝位到供電軌
，開關輸入端可承受高達±55 V的電壓。雙向ESD保護單元提供高達5.5 kV HBM ESD防護能力。

圖2.具有OVP功能的模擬開關功能框圖

       開關內部故障檢測電路持續監控輸入端電平，並將其與故障基準電平（通常為V_DD和V_SS）相比較。當輸入檢測到過壓狀態時，受影響的通道約在500 ns後關閉，輸入端進入高阻態，將故障與任何敏感的下遊電路完全隔離。在開關未作出反應的這500 ns期間，開關輸出端的上下二極管對輸出電壓進行箝位，同樣起到保護下遊電路的作用。圖3顯示了該輸出電壓保護隨時間的變化。

圖3.輸出電壓隨時間的變化

該開關的高可靠性表現為如下方麵：

       ±55 V交流和持續直流過壓保護
      掉電保護高達±55 V
      過壓故障防護
      任何情況下都不會發生閂鎖
      5.5 kV HBM ESD額定值

係統級保護電路

       在係統層麵

，過壓保護、防閂鎖和EMC保護（ESD
、EFT、浪湧）通常由一係列分立器件實現，由於信號路徑中存在的漏電流和額外電阻，所有這些器件都可能造成係統性能和精度下降。

       借助ADI公司過壓故障防護器件的高可靠性，並結合單個瞬變電壓抑製器(TVS)和一個低值電阻(≤30 Ω)
，ADG5412F可以承受高達16 kV IEC ESD（氣隙放電）、8 kV IEC ESD（接觸放電）、4 kV EFT和4 kV浪湧的高壓瞬變。圖4顯示了該保護電路。

       正常工作條件下，TVS器件具有很高的對地阻抗。當在係統輸入端存在一個大於TVS擊穿電壓的瞬變電壓時
，TVS被擊穿並提供低阻抗接地路徑，將瞬變電流從開關輸入端轉移到地


，從而輸入端電壓被箝位。TVS器件的重要參數包括：工作峰值反向電壓，低於此電壓便不會發生明顯的導通
；擊穿電壓
，在該電壓時發生一定程度的導通；以及最大箝位電壓，這是傳導額定最大電流時器件上的最大電壓。

圖4.保護電路圖

      此電路依照IEC61000-4-2、IEC61000-4-4和IEC61000-4-5標準進行測試，發現ADG5412F器件能夠承受非常高的IEC ESD
、EFT和浪湧瞬變。

      表1顯示了ADG5412F結合TVS器件和電阻的不同組合所測得的結果。

      表1.TVS器件和電阻的不同組合的測試結果

       ESD和EFT的激勵信號具有非常快速的上升時間，經過初始過衝後，瞬變被TVS器件箝位。引起過衝的原因是TVS對上升時間非常快的ESD/EFT脈衝的響應速度不夠快，因此需要一個小電阻來提高ESD/EFT防護水平
，如表1所示。

TVS選擇

       選擇TVS器件時，務必確保其最大工作電壓既大於要保護的引腳的正常工作電壓
，又大於接線錯誤引起的任何可能存在的已知係統過壓。TVS最大工作電壓與ADG5412F具有的±55 VOVP性能相結合，為TVS選擇提供了一個很寬的設計窗口。

圖5.TVS設計窗口

       圖5xianshileyigeyuwaibujiekoudexitongshuruduandegongzuoquyu。zuizuobiandequyubiaoshizhengchanggongzuoqujian，shurudianyaweiyudianyuandianyafanweiyinei。zuoqidiergequyubiaoshishuruduankenengcunzaichixuzhiliuhuochangshijianjiaoliuguoyadefanwei
，yuanyinshiduandian
、接線錯誤或短路。另外，圖中最右側是ADG5412F內部ESD保護二極管的觸發電壓。

       TVS設計窗口區域取決於開關的±55 V過壓保護區間。該窗口由OVP開關的最大關態電壓與係統中可能存在的最大過壓之差決定。為保護係統輸入和敏感下遊電路達到IEC標準的抗幹擾要求
，同時為了始終處在OVP開關的工作範圍以內，應選擇擊穿電壓在TVS設計窗口之內的TVS。此設計窗口概念使得係統設計人員可以靈活選擇TVS，隻要其擊穿電壓在這個很寬的電壓範圍以內即可。

       選擇TVS器件時，另一個要考慮的參數是其最大箝位電壓。在浪湧事件期間
，當越來越大的電流流過TVS器件時，TVS的箝位電壓可以升高到最大箝位電壓。對於TVS，此最大箝位電壓高於擊穿電壓。高擊穿電壓（如54 V）TVS的最大箝位電壓大於ADG5412F數據手冊中針對源極引腳規定的±55 V直流絕對最大額定值。但是
，“浪湧測試，IEC61000-4-5”部分證明，在浪湧瞬變持續時間內
，ADG5412F可以承受大於直流最大額定值的電壓。這是因為浪湧瞬變的上升時間比ESD脈衝慢得多
，故在浪湧瞬變持續時間內，ADG5412F內部ESD保護不會觸發。

係統級保護

       在圖4所示電路中
，分立TVS和電阻保護ADG5412F免受IEC ESD、EFT和浪湧事件影響。ADG5412F可保護電路免受過壓故障、閂鎖和熱插拔事件的影響。為了全麵保護係統輸入免受ESD、EFT和浪湧事件影響，不僅要確保OVP器件(ADG5412F)能承受瞬變電壓，而且要確保充分抑製ADG5412F漏極(Dx)上離開開關的能量水平，避免下遊器件受損。

       圖6顯示了在IEC ESD、EFT和浪湧事件期間，用於量化ADG5412F輸出端輸出的能量水平的設置。

       測試設置複製了一個典型係統，其中ADG5412F保護下遊器件的輸入。上下二極管代表任何下遊電路（如放大器或ADC）中存在的輸入ESD保護二極管。在瞬變事件期間，ADG5412F能夠有效降低到達下遊器件的能量，下一部分中的數據證明了這一點。下遊器件的輸入ESD保護二極管消除保護電路輸出端殘留的微小能量，就像在HBM ESD事件期間所做的一樣。

圖6.測試設置

靜電放電(ESD)

       ESD是指靜電荷在不同電位的實體之間的突然傳輸
，由靠近接觸或電場感應引起。其特征是在短時間內有高電流流過。

       IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定係統在工作過程中對係統外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2規定要使用兩種耦合方法測試：接觸放電和氣隙放電。接觸放電是指放電槍直接與受測裝置相連。氣隙放電使用更高的測試電壓
，但不會直接接觸受測裝置。

在zai氣qi隙xi放fang電dian測ce試shi期qi間jian

，放fang電dian槍qiang的de充chong電dian電dian極ji朝chao向xiang受shou測ce單dan元yuan移yi動dong，直zhi到dao氣qi隙xi上shang發fa生sheng電dian弧hu放fang電dian。放fang電dian槍qiang不bu與yu受shou測ce裝zhuang置zhi直zhi接jie接jie觸chu。氣qi隙xi測ce試shi的de結jie果guo和he可ke重zhong複fu性xing會hui受shou到dao多duo種zhong因yin素su的de影ying響xiang，包bao括kuo濕shi度du、溫度
、氣壓

、距離和放電槍逼近受測裝置的速率。與接觸放電方法相比
，氣隙放電方法能夠更好地反映實際ESD事件，但可重複性較差。
 
       圖7顯示了規範所述的8 kV接觸放電電流波形。需要注意的關鍵波形參數是不到1 ns的快速上升時間、大約60 ns的短脈衝寬度和30 A的峰值電流。

圖7.IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)

      該測試是按單次放電進行的。測試點可能承受至少10次正極放電和10次負極放電。推薦的放電間隔為1秒。

      將ESD脈衝施加於保護電路輸入端時，經過初始過衝後
，輸入端電壓由TVS器件(SMAJ54CA)箝位在54 V。由於脈衝持續時間非常短（大約60 ns）
，所以ADG5412F內部OVP電路沒有時間作出反應，將下遊電路與ESD事件隔離開來。但是，ADG5412F輸出端的內部保護二極管變為正偏，將ADG5412F的輸出電壓箝位在V_DD + 0.7 V。

      輸出端的這些內部二極管可靠性很高，足以帶走大部分電流，從而保護下遊器件，使係統免受初始8 kV ESD事件影響。

靜電放電測試，IEC61000-4-2

      圖8顯示了IEC瞬變事件期間通過電路的電流路徑。大部分電流通過TVS器件分流到地（路徑I₁）。路徑I₂顯示了開關斷開所需的500 ns時間內消散的電流。最後
，路徑I₃中的電流是下遊器件必須承受的電流水平。

圖8.ESD事件期間的電流路徑

       圖9顯示了在開關輸出端測得的電流，條件是將±8 kV IEC ESD接觸放電脈衝施加於ADG5412F輸入端，采用54 V TVS (Bourns SMAJ54CA)和30 Ω串聯電阻。在TVS箝位瞬變電壓之前有一個初始過衝（參見“TVS選擇”部分），以免觸發ADG5412F內部ESD保護（需要30 Ω電阻）。在IEC ESD事件期間，在ADG5412F輸出端(Dx)測得的峰值電流僅有678 mA。

       輸出端測得的峰值電流脈衝寬度大約為60 ns，可以與HBM ESD事件相比較。1 kV HBM ESD電擊的峰值電流約為660 mA，持續時間為500 ns。因此，在圖4所示的配置中使用ADG5412F時，8 kV IEC ESD電擊被衰減為不到1 kV的HBM ESD事件。這可以與下遊器件的HBM ESD額定值相比較。

圖9.8 kV事件期間的漏極電壓和漏極(Dx)輸出電流

        類似地，圖10顯示了在開關輸出端測得的電流，條件是將±16 kV IEC ESD氣隙放電脈衝施加於ADG5412F輸入端
，采用54 V TVS (Bourns SMAJ54CA)和30 Ω串聯電阻。

圖10.16 kV氣隙放電事件期間的漏極電壓和漏極(Dx)輸出電流

        在IEC ESD事件期間，在ADG5412F輸出端測得的峰值電流僅有680 mA，這幾乎與8 kV接觸放電測試結果相同。

電快速瞬變脈衝群(EFT)

        EFT測(ce)試(shi)涉(she)及(ji)將(jiang)快(kuai)速(su)的(de)瞬(shun)變(bian)脈(mai)衝(chong)群(qun)耦(ou)合(he)到(dao)信(xin)號(hao)線(xian)上(shang)，以(yi)表(biao)征(zheng)與(yu)外(wai)部(bu)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)關(guan)聯(lian)的(de)瞬(shun)變(bian)幹(gan)擾(rao)，這(zhe)類(lei)電(dian)路(lu)能(neng)夠(gou)以(yi)容(rong)性(xing)方(fang)式(shi)耦(ou)合(he)至(zhi)信(xin)號(hao)線(xian)。這(zhe)種(zhong)測(ce)試(shi)反(fan)映(ying)了(le)開(kai)關(guan)觸(chu)點(dian)抖(dou)動(dong)，或(huo)者(zhe)因(yin)為(wei)感(gan)性(xing)或(huo)容(rong)性(xing)負(fu)載(zai)切(qie)換(huan)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)瞬(shun)變(bian)
，而(er)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)在(zai)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)中(zhong)都(dou)很(hen)常(chang)見(jian)。IEC 61000-4-4中定義的EFT測試嚐試模擬因為這些類型的事件產生的幹擾。

        圖11顯示了EFT波形。輸出波形由重複的5 kHz高電壓瞬變突波組成。突波間隔300 ms，每個突波持續時間為15 ms。每個脈衝具有5 ns的上升時間(t_R)和50 ns的持續時間(t_D)，這些時間在波形的上升和下降沿的50%點之間測量。與ESD瞬變類似
，單個EFT脈衝的特性也是快速上升時間和短脈衝寬度。單次脈衝的總能量類似於ESD脈衝。

        IEC 61000-4-4規定這些快速突發瞬變通過容性箝位器耦合到輸入線路。EFT通過箝位器容性耦合到輸入線路，而不是直接接觸。為了在係統級測試中複製此耦合板

，將一個0.5 μF耦合電容連接到IC輸入端。這是依照IEC 62215標準，它是IEC61000-4-4標準的IC級版本。

       將這些EFT脈衝施加於保護電路輸入端時，會以類似ESD事件的方式抑製電流。經過初始過衝後，4 kV EFT電壓被54 V TVS器件箝位，未導向TVS的大部分殘留電流被ADG5412F輸出端內部的高可靠性的二極管帶走。對於每個突波中的每個脈衝
，都會重複這個保護動作。

圖11.IEC 61000-4-4 EFT波形

EFT測試，IEC61000-4-4

       圖12顯示將±4 kV IEC EFT脈衝施加於ADG5412F器件輸入端，采用54 V TVS和30 Ω串聯電阻。在EFT突波的一個脈衝期間
，輸出端測得的峰值電流僅有420 mA。

       類似於ESD事件，該峰值電流脈寬大約60 ns，可以與HBM ESD事件相比較。750 V HBM ESD電擊的峰值電流約為500 mA
，持續時間為500 ns。因此，在圖5所示的配置中使用ADG5412F時，可將4 kV IEC EFT電擊衰減為不到750 V的HBM ESD事件
，這是大部分現代IC都能承受的。

圖12.單次脈衝的EFT電流

浪湧

       浪湧瞬變通常由開關操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關瞬變的起因可能是電力係統切換、配電係統中的負載變化或各種係統故障（例如安裝時與接地係統形成短路和電弧故障）。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些浪湧現象影響的情況下用於評估電子電氣設備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

       標準的波形由波形發生器產生，用於表征開路電壓和短路電流事件。標準描述了兩種波形。10 μs/700 μs組合波形用於測試要連接到對稱通信線路（如電話交換線路）的端口。1.2 μs/50 μs組合波形用於所有其他情形

，特別是短距離信號連接。

圖13.IEC 61000-4-5浪湧1.2 μs/50 μs波形

        圖13顯示1.2 μs/50 μs浪湧瞬變波形。ESD和EFT擁有類似的上升時間
、脈衝寬度和能量級別。但是，浪湧脈衝的上升時間要慢得多(1.2 μs)，持續時間要長得多
，脈衝寬度為50 μs，這兩個值均遠大於ESD脈衝和EFT的單個脈衝。浪湧脈衝的能量級別可以比ESD或EFT脈衝能量級別高出三到四個數量級。因此，浪湧瞬變被認為是最嚴苛的EMC瞬變規範。在浪湧事件期間，輸入端電壓被TVS器件箝位。由於浪湧事件持續時間為50 μs，因此具有OVP功能的開關有充足的時間作出反應，隔離下遊電路。僅僅經過500 ns，ADG5412F的OVP功能便將下遊器件與瞬變隔離。事實上
，這是將50 μs浪湧輸入變成500 ns脈衝
，顯著降低傳輸到下遊器件的能量。

浪湧測試，IEC61000-4-5

        將±4 kV浪湧脈衝施加於ADG5412F輸入端時（采用54 V TVS和30 Ω串聯電阻）
，輸出端測得的峰值電流為616 mA。
圖4所示的保護電路將具有潛在破壞性的長時間高電流浪湧事件衰減成持續不到500 ns、峰值電流為608 mA的短時間事件。相比之下，1 kV HBM ESD事件的峰值電流約為660 mA，持續時間為500 ns。
圖14顯示了500 ns後的開關動作，將漏極與浪湧事件隔離。

圖14.浪湧事件期間OVP工作原理

結論

       本文討論的保護架構顯示了如何利用ADG5412F並結合單個TVS器件和低值串聯電阻，保護係統輸入或輸出節點免受高達16 kV IEC ESD、4 kV EFT和4 kV浪湧瞬變電壓的影響。本應用筆記還討論了所述的保護架構如何將下遊電路的保護需求降至僅相當於1 kV HBM ESD的水平。此信息為係統設計人員提供了設計係統輸入輸出保護電路並實現下列優勢所需的知識：

       簡化保護設計。
       加速產品上市。
       提高保護電路性能
，因為所需的分立元件減少。
       減小信號路徑中的串聯電阻阻值。
       由於TVS設計窗口很寬，TVS選擇更方便。

達到下列標準的係統級保護：

      IEC61000-4-2 16 kV氣隙放電。
      IEC61000-4-2 8 kV接觸放電。
      IEC61000-4-4 4 kV。
      IEC61000-4-5 4 kV。
     交流和持續直流過壓保護高達±55 V。
     掉電保護高達±55 V。





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