设计中如何防止过电应力造成的产品失效

芯片设计者在将一个运放的敏感引脚引出芯片的时候，通常会想到用户是否会认真处理这个引脚？或只是粗心的把这个引脚直接和交流电连接起来？我们都希望设计出好产品，可以应对用户的极端使用。那么，如何在设计中防止过电应力造成的产品失效呢？

OPA320是大多数典型运放的一种，其最大额定参数表如图1所示，它描述了芯片最大允许供电电压、引脚最大允许输入电压和电流。根据参数表的附加说明，如果限制引脚输入电流，那么就不需要限制输入电压。内部钳位二极管允许±10mA的输入电流。但是在输入电压超出正常值很多的情况下，限制输入电流需要较大的输入阻抗，这会增加噪声，降低带宽，同时还可能产生其它错误。

钳位二极管在输入电压超过电源轨大约0.6V时开始导通。通常，许多设备可以承受较大电流，但是当电压急剧增加时，设备失效的概率就会增加。

通过添加外部二极管可以大大提高设备耐受大电流的能力，同时也可以提高设备的防护等级。市场上常见的传输信号二极管，比如无处不在的1N4148，具有非常低的导通压降（实验室测试显示，其至少比运放内部二极管低100mV）。在与运放内部二极管并联后，当遇到输入过流时，大多数电流将流向外部的二极管。

肖特基二极管具有更低的导通电压，这种特性可以提升保护性能。但缺点也很明显，它的漏电流太大了。室温下，它的反向漏电流通常是微安级或者更大，同时，随着温度的升高而增加。

另外，你还需要一个足够强大的电源。钳位二极管，无论是运放内部或者外部的，都需要一个相对稳定的电源来释放能量。如果故障脉冲很大，灌入电源轨过多的电流，提高（或拉低负电源）电源电压，那么脉冲会使电源端承受过大的电压应力，如图2所示。典型的线性电源不能吸收电流，因此不要指望使用它做为电源有多稳定。大的旁路电容可以用来吸收大的故障脉冲电流。对于连续的故障电流，可以在输入引脚和电源上加用齐纳二极管来解决。齐纳二极管的反向击穿电压要刚好高于系统最大供电电压，这样仅仅在故障时，齐纳二极管才会被导通。对于正负供电系统，需要在两个电源轨分别设计相同的保护电路。

尽管采取了这些措施，引脚输入电压仍可能超过最大额定参数表中的值，但问题关键在于：最大额定参数表中的值通常过于保守；在这个电压或者电流下芯片损坏几乎是不可能的。一般来说，大幅超过这些参数，器件也不太可能损坏（但不保证）。钳位到比最大额定参数表中的值高几伏的电压，同时获得较低的失效率是很容易的。在许多情况下，设计的目标是在成本和性能折中的情况下降低失效率。

没有哪一种方案可以应对所有的情况，也没有一种保护电路可以同时满足所有需求。在不同应用中，保护电路方案差别很大。不同运放的灵敏度不同，所需保护等级也存在很大差异。这可能会需要你有一定创造力，最好自己做自己的专家。虽然在极端的环境中做一些测试会损失一些运放，但这是必要的。