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电子元器件的防浪涌应用
电子元器件的防浪涌应用 电浪涌引起的电过应力(EOS)损伤或烧毁是电子元器件在使用过程中最常见的失效模式之一。 电浪涌是一种随机的短时间的高电压和强电流冲击,其平均功率虽然很小,但瞬时功率却非常之大。因此,它对电子元器件的破坏性很大,轻则引起逻辑电路出现误动作或导致器件的局部损伤,重则引发热电效应(如双极晶体管的二次击穿、CMOS电路的闩锁效应),使器件特性产生不可逆的变化,甚至遭到永久性破坏(如造成铝金属互连线的烧熔飞溅)。随着电子元器件集成密度的提高和几何尺寸的缩小,使得它越来越容易因受到电过应力而损坏。因此,必须采取有效措施予以防范。 9.1.1 集成电路开关工作产生的浪涌电流 数字集成电路在输出状态翻转时,其工作电流的变化很大。例如,在如图9.1所示的具有图腾柱输出结构的TTL电路中,当状态翻转时,由于晶体管内储存电荷的释放需要一定的时间,其输出部分的两个晶体管VT01和VT02会有大约10ns的瞬间同时导通,这相当于电源对地短路。每一个门电路,在此转换瞬间有幅度为30mA左右的浪涌电流输出。 对于大规模集成电路或高密度印制板组件,一块电路或一块组件上会有几十乃至成千上百个门电路同时翻转,所形成的浪涌电流是十分可观的。在上例中,若有33块TTL电路同时翻转,则瞬态电流可达1A,而变化时间只有10ns。象这种电流变化,稳压电源是难以稳定调节的。一般稳压电源的频率特性只有10kHz数量级,对于10ns级的剧烈变化是无济于事的。于是,上述效应就会造成电源电流的剧烈波动,不仅给产生浪涌的原电路,而且可能给电路中的其它器件造成危害,还会通过电磁辐射影响邻近的电路或设备。 由于这种浪涌电流具有很高的频率成分,可在集成电路附近接旁路电容(有时称去耦电容)加以抑制,如图9.2所示。根据经验,一般可以在每5~10块(具体数目与所用电路的类型有关)集成电路旁接一个0.01~0.1μF左右的电容;每一块大规模集成电路或每一块运算放大器也最好能旁接一个电容。去耦电容应该是低电感的高频电容,小容量电容一般选用园片陶瓷电容器或多层陶瓷电容器,大电容最好选用钽电解电容器或金属化聚酯电容器,不宜采用铝电解电容器,因为它的电感比上述电容器大近一个数量级。另外,在印制线路板的电源输入处,也应旁接一个100μF左右的钽电容和一个0.05μF左右的陶瓷电容。 (b) 图9.1 数字集成电路开关工作时产生的浪涌电流示例 (a)图腾柱输出结构的TTL电路;(b)状态转换时的浪涌电流 Vi为电路输入电压,ICC为电源电流 图9.2 抑制集成电路开关工作浪涌电流的措施 9.1.2 接通电容性负载时产生的浪涌电流 如果用开关电路或功率管驱动电容性负载(如图9.3所示),则在电路输出端由高电平向低电平转换的瞬间,由于电容两端的电压不能突变,对于交变电流,它等效于短路,电流值仅由回路的电阻R决定,所以这个浪涌电流可以在瞬间上升到接近于VCC/R值,VCC为电源电压。该电流远大于器件的正常导通电流,有可能给器件带来损伤。 为了抑制这种浪涌电流,可以串联一个电感,如图9.4(a)所示。也可以在接通瞬间串入一个限流电阻,当电容性负载充电到一定程度之后,再撤销这个限流电阻,如图9.4(b)所示。 [实例] 浪涌电流导致TTL电路损坏 如果TLL电路输出端接有电容负载,当电路输出由低电平向高电平或由高电平向低电平切换时,将出现充电电流或放电电流。当电容量较大时,充放电电流很大,从而使电路内部的输出晶体管受损。解决方法是降低电容容量,或者在电容上接入串联电阻。当然,最好是采用不用容性负载的线路设计。 (a) (b) 图9.3 电容性负载接通时的浪涌电流 电容性负载回路;(b)电容的充电电流 (a) (b) 图9.4 电容性负载接通时冲击电流的抑制措施 接入限流电感;(b)电容性负载接通后自动断开限流电阻 9.1.3 断开电感性负载时产生的浪涌电压 在高压功率开关电路中,常采用功率管驱动电感负载(如变压器、继电器等),如图9.5(a)所示。在这种情况下,当电路输出由通态向断态转换的瞬间,由于电感负载上流动的电流突然被中断,在电感中会产生与原来电流方向相反的浪涌电流,在电感的两端会形成一种反冲电压,其大小为,其波形如图9.5(b)所示。正常电流越大或者电感量越大,所产生的反冲电压也越大。反冲电压的幅值有可能比电源电压高倍10~100倍,极易引起器件的击穿。 为了抑制这种电感负载产生的瞬态反冲电压,保护驱动器件,可在电感两端并接一个保护电路,可采用以下几种形式:
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