ESD保護(hù)問題 - 做好自啟動不容易，理解穩(wěn)壓器和帶隙基準(zhǔn)的上電復(fù)位需求

　　ESD保護(hù)問題

　　因為高壓會損壞IC，必須提供必要的ESD保護(hù)。如果電壓超過IC制造工藝允許的上限，有源器件將進(jìn)入齊納模式。器件擊穿后，電流將快速上升，進(jìn)入雪崩模式，產(chǎn)生大電流并導(dǎo)致硅片融化。負(fù)壓過大時，同樣會導(dǎo)致大電流并損壞IC。

　　帶隙基準(zhǔn)

　　帶隙基準(zhǔn)如圖4所示，通常也會存在啟動問題。帶隙由兩個正向偏置、具有不同電流的晶體管組成，某一路電流變化時，將引起兩路電流在工作點重新均衡，其中一路為負(fù)溫度系數(shù)，另一路為正溫度系數(shù)。

　　圖4. 常用帶隙結(jié)構(gòu)

　　選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c，使得所產(chǎn)生的信號差與絕對溫度成比例（PTAT）。理想的設(shè)計目標(biāo)是確保輸出電壓不隨溫度變化。遺憾的是，運放有兩個穩(wěn)定的平衡點：設(shè)置電流和零電流，而且，在零電流點，電路無法確定如何恢復(fù)或修正。

　　帶隙基準(zhǔn)計算器有助于設(shè)計、分析Brokaw帶隙基準(zhǔn)電路。它可以計算所有電路參數(shù)以及輸出電壓與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系，可以仿真一階調(diào)整效果和二階修正曲線，該免費工具可以從網(wǎng)站www.maxim-ic.com/tools/calculators/hp50g下載，其可以運行在HP? 50g計算器上，或提供計算器仿真的PC上。

　　解決上電復(fù)位問題

　　圖1所示電壓基準(zhǔn)能夠正常工作，因為它有單獨的啟動電路，可以在兩路帶隙電流為零時打破平衡。不過，實踐證明，它能夠確保正常工作在室溫，而在高溫下可能出現(xiàn)失效，由此可見，啟動電路在高溫、漏電流變大時非常脆弱，設(shè)計者必須在使用弱啟動電路（可能不啟動）和強(qiáng)啟動電路（可能影響正常操作）之間進(jìn)行權(quán)衡。有關(guān)帶隙啟動的課題涉及到很多專利技術(shù)。

　　本處需要解決的問題相對比較簡單，假設(shè)負(fù)壓漏電流處理不當(dāng)，我們會對基準(zhǔn)輸出進(jìn)行鉗位。IC內(nèi)部的ESD二極管為硅二極管（圖3），它們會自然把負(fù)壓鉗位在0.6V至0.7V（也可能是兩個二極管串聯(lián)，鉗位在1.2V）。可以在基準(zhǔn)輸出端增加一個小的肖特基二極管，正常工作時，二極管反偏，對電路沒有影響，考慮到肖特基二極管會有泄漏。室溫下，其正向壓降約240mV，隨著溫度上升（同樣電流條件），其正向?qū)妷合陆?，如圖5所示。

　　圖5. 肖特基二極管典型特性

　　由此，可基本解決熱啟動問題，需要測試時，可以找一個在特定溫度下失效的電壓基準(zhǔn)，把電壓基準(zhǔn)的輸出引到烘箱外面，如有射頻干擾，可以采用一小段同軸電纜引出。20pF的電纜電容不會影響直流。測量失效電壓基準(zhǔn)的輸出，請注意可能出現(xiàn)負(fù)壓（有時IC內(nèi)部會有兩個串聯(lián)的ESD二極管），假設(shè)是-1V。然后，連接一個硅二極管（如1N4747）把電壓鉗位在0.6V，重新查看基準(zhǔn)是否啟動，再用兩個串聯(lián)的肖特基管（室溫下壓降約0.52V），查看基準(zhǔn)是否啟動。只接入一個肖特基二極管（0.24V）時，查看基準(zhǔn)是否啟動。把肖特基管加熱或放入烘箱中——基準(zhǔn)是否啟動？通過逐步試驗啟動門限，可以了解啟動裕量。

　　加上肖特基二極管可以減輕基準(zhǔn)輸出被拉至負(fù)壓的程度，隨著溫度上升，肖特基二極管正向?qū)妷鹤冃。瑴p輕了這一問題。測試證明，增加肖特基二極管后，可以防止負(fù)壓對電壓基準(zhǔn)的影響，使之可以在高溫下啟動。

　　POR（上電復(fù)位）有幾種方式確保正常工作。例如，Maxim的MAX6029電壓基準(zhǔn)基于帶隙基準(zhǔn)單元，該基準(zhǔn)必須在正確的工作電壓下才能穩(wěn)定。正如我們在帶隙基準(zhǔn)部分所述，帶隙基準(zhǔn)會在兩個工作點達(dá)到平衡并穩(wěn)定：設(shè)計電流和零電流。確保器件啟動并避免進(jìn)入零電流狀態(tài)是必不可少的條件，設(shè)計者要花大量時間就電壓、溫度和工藝等變化進(jìn)行電路仿真。MAX5134是4路16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC），其POR電路將器件初始化到已知狀態(tài)，MAX5134可以復(fù)位到零或中間值。針對不同應(yīng)用，這會是一個很重要的系統(tǒng)安全因素。對于受控馬達(dá)，如果上電過程中隨意變動，有可能對人身造成傷害。由于硬件POR電路獨立于任何軟件控制，必須在系統(tǒng)軟件接管操作之前確保安全工作。另外，POR也應(yīng)用在非易失數(shù)字電位器MAX5482中，光纖通信、電源等系統(tǒng)需要在最終產(chǎn)品測試中進(jìn)行校準(zhǔn)，MAX5428可以記住1024個位置或電壓值之一，POR確保上電時自動讀出校準(zhǔn)值。

　　結(jié)論

　　確保自啟動在任何條件下正常工作將面臨許多設(shè)計挑戰(zhàn)，對于IC，POR可以保證系統(tǒng)進(jìn)入確定的安全狀態(tài)。有時，如果客戶的應(yīng)用場合超出了IC的工作范圍，可以向IC制造商的工程師尋求幫助；但建議用戶最好按照制造商文檔中的條件限制使用，理由很明顯，因為IC設(shè)計時就是按照這些參數(shù)構(gòu)建的。