- 保護CMOS電路不受電源過壓影響的方法
- 單電源系統方案
- 雙電源系統方案
- 開關電源/高噪聲環境方案
所有的IC工藝都存在相關的本征擊穿電壓，由此導致的最大電壓應力將會施加于采用該工藝制造的任何器件。因此，所有IC制造商都會提供其器件產品的絕對最大額定值技術規格，一般是提供施加于器件任何引腳的最大電壓。
器件過壓指超過絕對最大額定值的應力或電壓施加于該器件。本文重點討論CMOS和線性兼容CMOS器件的電源輸入過壓問題。
與IC工藝相關的本征擊穿電壓，就是指該工藝中的晶體管、嵌入式齊納二極管或其他此類元件會有一個確定的擊穿電壓。顯然，如果器件的正電源輸入(VDD)和負電源輸入(VSS)之間僅有一個此類元件，那么VDD — VSS的絕對最大額定電壓就是該元件的擊穿電壓。由于所需IC功能、硅片尺寸限制及其它因素影響，因此無法總是確保IC內的任何單個元件上不會出現VDD - VSS。這意味著器件制造商將會選擇可施加于電源的有限電壓，以防器件受損。因此，器件制造商都會確定該限值，并在器件的數據手冊上規定一個絕對最大額定值，以保證器件安全地處于擊穿電壓內。器件的用戶也必須確保施加于器件的工作電壓處于絕對最大額定值范圍內。那么，問題出在哪里呢？
電源尖峰
問題不是出在容易控制的電源穩態值上，而是電源線路的電壓尖峰引起的。大部分系統中，此類電壓尖峰最可能發生在電源開啟和關閉期間。另外開關電源，或器件在擁有大型電機的高噪聲環境下工作時也可能產生電壓尖峰。在此期間，根據電源的輸出阻抗、電源的負載和電源的總體設計情況，電源電壓可能過沖明顯超過其標稱值，并且在這種情況下，超過器件的絕對最大額定值（參見圖1）。
圖1. 電源開啟尖峰
過去一直都采用齊納和肖特基二極管等外部箝位元件，將電壓尖峰限制在足夠短的持續時間內，防止對器件造成任何損害。但是，隨著CMOS和線性兼容CMOS工藝幾何尺寸的縮小，采用此類工藝制造的器件速度變得越來越快。
這意味著，在正常工作模式下，用戶可以享受到高速度、高帶寬等好處。但是，這也意味著采用更快工藝制造的元件要對更短暫的電源瞬態做出響應。器件對約1 s或更短持續時間的電源瞬態做出響應并不少見。這表明，使用齊納和肖特基二極管保護器件的傳統方法不再能夠可靠地保護器件。因為在許多情況下，它們對電壓尖峰或瞬態的響應速度要比器件的響應慢，所以無法提供任何保護。
瞬態電壓抑制器為了提供充分的保護，保護元件需要對電壓尖峰或瞬態做出非常迅速的響應。具有此功能的理想器件是瞬態電壓抑制器或TransZorb。TransZorb抑制器屬于PN硅瞬態電壓抑制器，具有電涌處理能力、極短的響應時間和低串聯電阻特性。其響應時間可低至1ns，同時箝位比（箝位電壓與標稱電壓之比）較低。TransZorb保護器件的方式取決于實際應用，下面將討論幾種不同情況。在任何情況下，TransZorb都應盡可能靠近其所保護的器件， 以降低TransZorb和器件之間的電阻。
單電源系統
第一種情況是要保護的CMOS器件采用單電源軌供電。顯然，在此情況下，擊穿路徑在此單電源軌和器件的接地軌之間。這種情況下，如圖2所示，在電源軌與地之間連接單個瞬態抑制器就能可靠地保護器件，免受開關瞬態的影響。此TransZorb將通過箝位電源軌和接地軌之間的電壓差，保護器件不受兩軌的瞬態影響。TransZorb具有各種不同的電壓額定值，表I列出了針對部分常用電源電壓推薦的TransZorb產品型號。
圖2. 在單電源系統中使用TransZorb
雙電源系統
第二種情況是器件采用兩個供電軌供電。在此情況下，可能存在多個擊穿路徑。第一條在正負供電軌之間，第二條在正供電軌和地之間，第三條是在負供電軌和地之間。對于雙電源系統，有兩種保護方案。
有些情況下，如圖3所示，在兩條供電軌之間連接單個TransZorb便足以保護器件。這種情況下，TransZorb的電壓額定值等于兩個電源電壓之和。此單TransZorb配置假設一個電源出現尖峰時，另一個電源提供較低的輸出阻抗。[page]
圖3. 雙電源、單TransZorb配置
同時還假設出現尖峰時，兩個電源能夠提供額外的吸電流或源電流。如果這些假設成立，那么任一個電源出現尖峰時，所有三條擊穿路徑都可以受到保護。例如，如果正電源為+5 V，負電源為-15 V，則TransZorb的額定值為20 V。
假設+5V電源有+15V尖峰，TransZorb將對此作出反應，吸收該尖峰并將電流吸至-15V電源。這意味著-15 V電源必須能夠提供額外吸電流。如果能做到這點，-15V電源的-15 V電平在尖峰期間就不會變化，并且TransZorb將確保正電源不會高出此電平20V以上。這意味著，正電源不會升至+5V以上，負電源不會改變-15 V電平，并且所有擊穿路徑都受到保護。表II針對一些常用雙電源電壓舉例推薦了部分TransZorb。
但在兩種情況下，在正負電源上采用單TransZorb方案卻不能始終保護器件。第一種情況如上所述，其中一個電源在尖峰期間不能提供額外吸電流或源電流，或者任一電源在尖峰期間不具有低輸出阻抗。此處應注意，雖然在穩態條件下電源可能存在一個低輸出阻抗，但其在開啟或關閉期間的阻抗可能會不同。以前面的例子說明，如果-15 V電源不能提供所需的尖峰吸電流，這意味著負電源不再處于-15V。TransZorb仍會將兩個電源箝位在一起，因此兩個電源之間的擊穿路徑受到保護。但是，任一電源的絕對值都不再明確固定。如果我們假設因為不能提供吸電流使-15 V變為（比如）-5 V，這意味著正電源變為+15 V。這可能會超出正電源與地之間的擊穿路徑，并導致器件損壞。
第二種情況，尖峰出現在接地線路而非任一條電源軌上。
例如，接地線路上的+10V正尖峰不會使TransZorb開啟，但地與負電源之間的電壓差現在是25V，這會超出負電源軌與地之間的擊穿電壓。
在這些情況下，推薦使用雙TransZorb方案，如圖4所示。
圖4. 雙電源、雙TransZorb配置
這種雙TransZorb方案可防止接地線路的電壓尖峰，同時在任一個電源不能在尖峰期間提供額外吸電流或源電流的情況下保護器件。此方案確保每個電源都受到單獨的保護，并且尖峰電流流向地。此方案采取與針對單電源系統相同的方式保護擊穿路徑免受各電源的影響。通過保護每個電源，兩個電源之間的擊穿路徑也受到保護，因此所有三條可能的擊穿路徑都受到保護。常用電源電壓的適用TransZorb值如表I所示。
開關電源/高噪聲環境
除上電以外，電源產生尖峰的另一種情況是使用開關電源的應用。雖然開關電源可進行調節，但調節可能不足以將尖峰降低至1 s的持續時間。如果這些尖峰具有足夠的幅度和能量，它們也會對器件造成損害。環境本身噪聲較高及在電源軌和接地軌上產生尖峰的應用也可能會出現問題。例如，器件在大電機條件下或在工業環境下工作等應用。圖2、3和4中針對開啟/關閉尖峰所推薦的方案，同樣適用于防止高噪聲環境下產生的開關電源尖峰或電源尖峰。
本應用筆記介紹的TransZorb方案可保護器件免受電源過壓影響。但如果不遵守推薦的電源時序，則不能防止對器件造成的損害。請參考制造商數據手冊中的絕對最大額定值部分，查看器件是否具有特定電源時序，或者數字輸入是否無法在電源之前供電。
