惡劣工業(yè)環(huán)境的設(shè)計注意事項

本文討論了在惡劣環(huán)境中影響電路魯棒性的因素，就像工業(yè)應(yīng)用一樣。涵蓋的主題包括處理電壓瞬變以及防止靜電放電（ESD）和故障的方法。具有MAX4708系列故障保護多路復(fù)用器和MAX14770E PROFIBUS收發(fā)器。

介紹

半導(dǎo)體 （IC） 穩(wěn)健性 — 工作溫度范圍是多少？如何處理高電噪聲？ESD和故障保護呢？這些問題不一定是設(shè)計工程師在選擇IC時首先考慮的問題。盡管如此，穩(wěn)健性是長期運行的關(guān)鍵性能參數(shù)，也是可靠、信譽良好的最終產(chǎn)品。在為惡劣工作條件常見的工業(yè)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)時尤其如此。工業(yè)設(shè)備可能暴露在廣泛的溫度范圍內(nèi)，電源線路或數(shù)據(jù)線路上的高電氣噪聲，以及ESD或短路等故障事件。

如今，工業(yè)環(huán)境中IC的實際溫度標準為-40°C至+85°C，比多年前的標準-40°C至+70°C溫度范圍高出+15°C。行業(yè)趨勢是工作溫度越來越高，最終新的預(yù)期將是汽車行業(yè)的-40°C至+125°C。更高的電流和功率密度表明，IC公司必須設(shè)計電路以承受更寬的溫度范圍...或者被排除在決策過程之外。

處理電壓瞬變

由于接線不正確或意外短路，電源線路上經(jīng)常出現(xiàn)電壓瞬變。如果輸入未受到保護，這些瞬變會損壞下游電路。傳統(tǒng)上，由串聯(lián)保險絲和瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 二極管組成的簡單而分立的電路用于防止大多數(shù)電壓瞬變（圖 1）。

圖1.采用分立元件的瞬態(tài)電壓保護電路。

然而，使用分立元件的瞬態(tài)保護有其自身的局限性。TVS二極管的保護門限通常不能很好地控制，并且會隨溫度而發(fā)生顯著變化。此外，發(fā)生過壓情況后需要更換保險絲。最后，大瞬變需要大TVS二極管，這消耗電路板空間并散發(fā)額外的熱量。

管理過壓和瞬態(tài)事件的更可控方法是將保護閾值和反應(yīng)電路集成到IC中。為了確保每次都能得到可靠的響應(yīng)，內(nèi)部比較器和二極管被設(shè)計成許多監(jiān)控和保護IC。一些IC為數(shù)據(jù)線集成了高壓故障保護。為了保護自身免受損壞，當超過正常數(shù)據(jù)線電壓電平時，故障保護器件將閂鎖。MAX4708系列多路復(fù)用器就是一個例子。MAX4708/MAX4709包括兩個故障檢測器：一個用于正軌（V+）以上的NO_電壓的高邊檢測器，一個用于低于負軌（V-）NO_電壓的低邊檢測器（圖2）。當NO_處的電壓超過任一電源軌時，就會發(fā)生故障情況，此時N1和P1 FETS均關(guān)閉。當發(fā)生故障時，這種方法會快速斷開交換機的輸入和輸出。

圖2.MAX4708/MAX4709的功能框圖

數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的電壓瞬變也可以使用RS-485收發(fā)器進行管理。RS-485收發(fā)器的接收器輸入和驅(qū)動器輸出可能暴露在明顯高于工業(yè)系統(tǒng)EIA/TIA-485標準規(guī)定的-7V至+12V共模范圍的電壓下。較新的收發(fā)器設(shè)計用于承受這些過壓事件，現(xiàn)在甚至可以承受高達±80V（相對于接地）而不會損壞。這種最先進的技術(shù)確保了強大的保護和使用壽命。

防止靜電放電和故障

集成ESD電路可保護IC免受ESD事件的損壞，并有助于使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

靜電放電（ESD）是另一種過電壓事件，當兩種具有不同電勢的材料接觸，轉(zhuǎn)移存儲的靜電荷并產(chǎn)生火花時，就會發(fā)生靜電放電（ESD）。ESD火花通常是由人與周圍環(huán)境的相互作用產(chǎn)生的。這些無意的火花可以改變半導(dǎo)體器件的特性，使其退化或完全破壞。ESD是一個嚴重的工業(yè)問題，估計每年會造成數(shù)十億美元的損失。現(xiàn)場發(fā)生的ESD事件會導(dǎo)致單個組件故障，有時還會導(dǎo)致災(zāi)難性的系統(tǒng)故障。

外部ESD二極管和其他類型的分立元件電路可用于保護數(shù)據(jù)線。許多IC器件集成了一定程度的ESD保護，不需要對IC本身進行進一步的外部保護。圖3顯示了通用集成保護方案的非常簡化的功能圖。信號輸入/輸出 （I/O） 上的電壓尖峰被箝位至 V抄送或 GND 并保護內(nèi)部電路。許多接口產(chǎn)品和模擬開關(guān)集成了符合IEC 1000-4-2標準的ESD保護。值得注意的是，Maxim最近在其PROFIBUS RS-485收發(fā)器MAX14770E上實現(xiàn)了±35kV的ESD人體模型（HBM）電平。

圖3.簡化的集成ESD保護電路。

結(jié)論

雖然魯棒性涵蓋了從工作溫度范圍到故障和線路保護，再到ESD和短路的不同設(shè)計問題，但它通常不是設(shè)計工程師首先要解決的問題。這可能是一個嚴重的錯誤。工業(yè)市場中的應(yīng)用需要堅固的部件來承受隨領(lǐng)土而來的惡劣環(huán)境。在設(shè)計這些應(yīng)用的早期，應(yīng)考慮魯棒性。

審核編輯：郭婷