前言
-
耐脈衝晶片電阻器設計用於在高能量 ESD 應用中運作。
-
耐脈衝晶片電阻器與TVS（瞬態抑制二極體)一起可用於保護敏感邏輯電路的輸入。
-
Analog Devices (Maxim) MAX22199ATJ+ 作為個案研究。此 IC 用於提高 PLC 在惡劣工業環境中的生存能力。
介紹
透過技術，我們可以探索靜電放電（ESD）和電子元件的生存能力。具體來說，讓我們來看看採用 Analog Devices (Maxim) 的 MAX22199ATJ+ 的工業應用。這是一款數位輸入 IC，設計用於接受八個 24VDC 輸入並透過 SPI 介面與微控制器連接。 ESD 保護是此高阻抗輸入電路的核心設計元素。相關可程式邏輯控制器（PLC）的可靠性和生存能力取決於 IC 的設計和 PCB 實作。它就像一顆糖果，有著堅硬、無法穿透的 ESD 外殼，裡面有美味的敏感邏輯。
正是在現實世界和輸入電路之間的介面處，我們找到了耐脈衝晶片電阻。它們通常配有 TVS。這些電阻器專門用於吸收 ESD 能量而不會自毀或閃絡，提供緩衝，從而擴展 TVS 二極體的功能。
ESD 簡介
人體靜電放電是 ESD 損壞的常見原因。我們可以將身體建模為一個充電電容器和一個串聯電阻。電容器的能量透過直接接觸或氣隙釋放到電路中。
能量將通過所有可用的路徑，對敏感電子設備造成破壞。例如，ESD 很容易穿透 MOS 閘極結構，從而立即破壞或顯著縮短電子裝置的壽命。它可以輕鬆地跨越緊密間隔的 PCB 走線、跨過緊密間隔的 IC 引腳，甚至跨越小型 SMD 電阻器和電容器。
技術提示：靜電放電比我們許多人意識到的更為普遍。我最喜歡的演示是使用小霓虹燈。將一條腿接地，另一條腿暴露在外。示波器的接地夾提供了方便的連接。擦傷你的腳並觸摸燈。如果您看到橙色閃光，則表示您的身體電壓至少為 90V。根據您的鞋子和地板類型，您只需拖曳腳即可啟動霓虹燈。
PCB 上的 ESD 防護簡介
從根本上講，ESD 損壞與遏制、箝位和電流限制有關，以防止微小的晶片上矽結構遭到破壞。
遏制
電力將採取所有可用的路徑，而不僅僅是傳說中的「阻力最小的路徑」。高壓放電將輕鬆橋接電路板走線和組件。這意味著我們應該使用物理上較大的設備，在任何受 ESD 影響的部分之間具有較大的間隙，甚至 PCB 上的線隙。這將限制放電到單一受控路徑。
箝位至限制電壓
使用快速二極體進行箝位是保護 IC 的最後一道防線。我們可以使用氣體放電管、緊密排列（傾斜）的 PCB 結構以及快速二極體和 TVS 二極體。
請注意，箝位依賴電流限制。畢竟，如果超過脈衝電流或超過脈衝能量，箝位器就無法完成其工作。如果沒有電流限制，事情往往會爆炸。
限流
電流限制與電阻有關。具體來說，就是我們的耐脈衝電阻器。
在這種情況下，耐脈衝電阻器設計用於在高能量（高電壓）微秒寬度脈衝下工作。它們必須可靠地做到這一點，而不會因高 (E2)/R 而擊穿（電阻突然降低導致夾具損壞）、閃絡或爆炸。他們還應該避免寄生效應，例如電感，這會惡化脈衝情況。
耐脈衝晶片電阻器是一款針對脈衝應用進行最佳化的 表面黏著式電阻器。幾年前，我們會指定碳成分電阻。這種較舊的技術擅長透過其大塊（大內部質量）電阻材料吸收脈衝。如今，耐脈衝晶片電阻器通常使用陶瓷表面黏著晶片上的厚膜構建，尺寸介於 0402 至 2512 之間，例如 Stackpole 範例。
當您考慮耐脈衝晶片電阻器時，請考慮劇烈脈衝操作下的生存能力。電阻器必須保持在一起而不改變特性。
使用 MAX22199ATJ+ 的應用範例
MAX22199ATJ+是一款介面晶片。當安裝在 PLC 中時，輸入會暴露在外部並受到 ESD 的影響。 SPI 轉換器的八路 24VDC 輸入框圖如圖 1 所示。我們預期該二極體速度很快，但由於 32-TQFN 封裝中的晶片尺寸較小，因此速度有限。
如果使用限流電阻，TVS 二極體的效能可能會提高。如圖 2 所示，其中包含 1.5kohm 1 W CMB0207、RPC2512、CRCW2512-IF 或類似的耐脈衝晶片電阻器。脈衝能量現在串聯電阻器以及內部耐脈衝晶片電阻器中耗散。如果電阻器間隔較遠，則可以滿足我們的三個標準，包括單路徑、限流和箝位。
附帶說明一下，圖 3 顯示需要額外的隔離等級。例如，MAX14483AAP+ 在 MAX22199ATJ+ IC 和微控制器之間執行電流隔離。回到我們的糖果，這是我們強大的現場設備端和美味的敏感邏輯端之間的分界點。
技術提示：許多 PLC 工程師都曾經遇到這種電流輸入隔離。當 PLC 的輸入區塊設計有自己的電源和返回連接（圖 2 中的 GNA 與 GNB）時，這一點是顯而易見的。
圖 1：Analog Devices (Maxim) MAX22199ATJ+ 的功能框圖。
圖 2：Analog Devices (Maxim) MAX22199ATJ+ 的典型實現，每個輸入上具有 1.5kohm 耐脈衝電阻。
另一方案
當我們探索 MAX22199ATJ+ 時，我們應該提到耐脈衝晶片電阻還有其他替代品。圖 3 顯示了使用LittleFuse 的 SMAJ33CA 雙向 TVS 。這是一個相對容量較大的 TVS，能夠在 10us 脈衝下耗散 400W 峰值。它的箝位電壓在 50V 範圍內。請注意，圖 3 原理圖仍包含每個 MAX22199ATJ+ 輸入通道的串聯電阻。這樣可以透過限制內部 TVS 二極體的能量來提供額外的保護。
圖 3：Analog Devices (Maxim) MAX22199ATJ+ 的典型實現，每個輸入均配備大型 TVS 二極體。
分線板
如圖 4 所示的 MIKROE-6072 是採用 MAX22199ATJ+ 的低成本分線板。該設計採用 TVS 二極體替代方案，如圖 3 所示。
圖 4：採用 LittleFuse TVS 二極體的 MAX22199ATJ+ 的 MIKROE-6072。
開發套件
在離開之前，我們應該提到 Analog Devices 提供了 MAX22199ATJ+ 的開發套件，如圖 5 所示。電阻器用於上面的四個輸入，而 TVS 二極體用於下面的四個輸入。
在輸入端嘗試使用 ESD 槍不是很有趣嗎？
圖 5：MAX22199ATJ+ 開發套件。
完結前的感想
耐脈衝晶片電阻是 ESD 保護的關鍵元件。在正確設計的系統中，電阻器會限制電流（耗散脈衝能量），從而允許 IC 的二極體箝位限制提供給敏感電子元件的電壓。
請勿用傳統電阻器代替耐脈衝晶片電阻器！
當遭受 ESD 事件時，較小的電阻可能會分離（爆炸性）、擊穿或閃絡。就像電路燒毀保護保險絲一樣。
如果您學到了新東西，請點讚這篇文章。
相關資訊
請點擊以下連結以取得相關且有用的資訊：