設計在非標準操作保MAX2140的內(nèi)部ESD二極管

設計在非標準操作保MAX2140的內(nèi)部ESD二極管

摘要：在對MAX2140 SDARS接收器進行熱插拔操作(接通電源或斷開電源)時，可能使其內(nèi)部靜電放電(ESD)保護二極管失效，熱插拔不是該器件的標準操作。但這種情況會發(fā)生在很多應用中，尤其是在汽車工業(yè)中，經(jīng)常會進行熱插拔的操作。本文分析了熱插拔操作可能造成ESD二極管失效的原因，并幫助設計合理的電路來預防二極管的失效。

概述

在進行裝配、測試和故障處理時，有時需要對MAX2140 SDARS接收器進行非標準操作。其中一個例子就是熱插拔操作，即在不關閉電源的情況下，直接將該器件與電路進行連接或斷開連接。熱插拔操作在汽車電子領域尤其常見，因為部件的模塊化設計，模塊之間的距離以及多個系統(tǒng)同時工作的需求，常常需要重新連接模塊。

熱插拔操作如何導致二極管失效

熱插拔操作會導致瞬變，包括較大的電壓、浪涌電流、振鈴以及極性倒置。而這些瞬態(tài)過程的背后是能量交換、有限的充電/放電時間和自激等物理現(xiàn)象。

圖1所示是MAX2140的一個熱插拔操作。


圖1. 在汽車工業(yè)領域MAX2140常見用法的圖解

在進行熱插拔操作時，電纜接頭會產(chǎn)生壓降(如圖中紅色箭頭所示)。與此同時，天線模塊內(nèi)部的旁路電容呈短路狀態(tài)。這樣就會導致MAX2140電氣地的電位高于天線模塊的電氣地。而MAX2140的內(nèi)部ESD二極管與該IC的接地引腳16連接，所以這種地電位差就會在該二極管上產(chǎn)生一個短時間的正向電壓。該正向電壓的尖峰可能會超過器件的絕對最大額定值，即所謂的電過載(EOS)。二極管的正向電壓規(guī)定為-0.3V到+4.3V (V_{CC_}xx至GND、 VINANT至GND、AGCPWM至GND、VOUTANT至GND)。設計仿真表明-1.3V、電流為72mA時允許短時間的工作。

防止ESD二極管失效的設計

防止EOS的方法因具體應用的不同而不同。這里所推薦的是一些常規(guī)設計改進措施：

1. 避免使用過多的電抗，如：儲能元件、旁路電容、RF噪聲抑制電感、較長的連接線等。
2. 使浪涌電流繞行：為每一模塊提供較短的直接接地路徑；增加外部二極管，使其與內(nèi)部二極管并聯(lián)；將二極管跨接在大的線圈上。
3. 順序供電：按順序依次打開電源；為內(nèi)部用戶推薦可編程延遲(Maxim擁有眾多的電源排序產(chǎn)品)。

以下設計實例(圖2)表示具有本地環(huán)路的MAX2140，增添的肖特基二極管能夠旁路浪涌電流。


圖2. MAX2140接收器和天線模塊之間改進后的設計圖，所作改進用以防止EOS。

具體的設計改進措施是：

• MAX2140接收器和天線模塊之間的電纜只有0.5Ω的電阻而沒有電感。
• 天線模塊具有一個100µF的旁路電容。
• 天線模塊的5V電源由MAX2140接收器提供。

讀者可能會問，在最初的40µs瞬態(tài)過程中，通過電容的最大電流和電纜的最大壓降分別是多少。這些值可以通過以下表達式得到：



該表達式計算通過電容的瞬時電流，其中和可以用相應的增量值來代替。其中，C是電容的電容值。



電容可在0V到5V范圍充電。



表示0到40µs之間的時間間隔。

通過旁路電容的電流可以用下式表示：



在40µs瞬態(tài)過程中，電纜壓降是：



該例子在電流為12.5A時電壓是6.25V，遠遠超過了內(nèi)部ESD二極管能夠允許的瞬態(tài)指標。外加一個肖特基二極管可以將瞬態(tài)過程中的絕大多數(shù)浪涌電流旁路掉?？梢赃x擇適合脈沖應用的肖特基二極管，基于圖2設計，當用一個適當電容將最大浪涌電流減小到一個可接受的范圍時，使用一段短電纜即可以顯著減小阻抗和壓降。

結論

對于器件的非標準使用(如MAX2140接收器的熱插拔操作)中出現(xiàn)的問題，我們需要用相應的方法來解決。為了成功實現(xiàn)器件的非標準使用，必須在Maxim支持和同意的情況下，對產(chǎn)品進行認真的設計和合理的測試。

* 超過絕對最大額定值的應力可能造成器件的永久性損壞,這些絕對最大額定值只是應力額定值。在操作說明書規(guī)定范圍外的條件下進行的功能操作不包括在內(nèi)。在絕對最大額定值條件下工作時間過長會影響器件的穩(wěn)定性。