应用笔记 3704

设计在非标准操作保户MAX2140的内部ESD二极管*


摘要 : 在对MAX2140 SDARS接收器进行热插拔操作(接通电源或断开电源)时,可能使其内部静电放电(ESD)保护二极管失效,热插拔不是该器件的标准操作。但这种情况会发生在很多应用中,尤其是在汽车工业中,经常会进行热插拔的操作。本文分析了热插拔操作可能造成ESD二极管失效的原因,并帮助设计合理的电路来预防二极管的失效。

概述

在进行装配、测试和故障处理时,有时需要对MAX2140 SDARS接收器进行非标准操作。其中一个例子就是热插拔操作,即在不关闭电源的情况下,直接将该器件与电路进行连接或断开连接。热插拔操作在汽车电子领域尤其常见,因为部件的模块化设计,模块之间的距离以及多个系统同时工作的需求,常常需要重新连接模块。

热插拔操作如何导致二极管失效

热插拔操作会导致瞬变,包括较大的电压、浪涌电流、振铃以及极性倒置。而这些瞬态过程的背后是能量交换、有限的充电/放电时间和自激等物理现象。

图1所示是MAX2140的一个热插拔操作。

图1. 在汽车工业领域MAX2140常见用法的图解
图1. 在汽车工业领域MAX2140常见用法的图解

在进行热插拔操作时,电缆接头会产生压降(如图中红色箭头所示)。与此同时,天线模块内部的旁路电容呈短路状态。这样就会导致MAX2140电气地的电位高于天线模块的电气地。而MAX2140的内部ESD二极管与该IC的接地引脚16连接,所以这种地电位差就会在该二极管上产生一个短时间的正向电压。该正向电压的尖峰可能会超过器件的绝对最大额定值,即所谓的电过载(EOS)。二极管的正向电压规定为-0.3V到+4.3V (VCC_xx至GND、 VINANT至GND、AGCPWM至GND、VOUTANT至GND)。设计仿真表明-1.3V、电流为72mA时允许短时间的工作。

防止ESD二极管失效的设计

防止EOS的方法因具体应用的不同而不同。这里所推荐的是一些常规设计改进措施:
  1. 避免使用过多的电抗,如:储能元件、旁路电容、RF噪声抑制电感、较长的连接线等。
  2. 使浪涌电流绕行:为每一模块提供较短的直接接地路径;增加外部二极管,使其与内部二极管并联;将二极管跨接在大的线圈上。
  3. 顺序供电:按顺序依次打开电源;为内部用户推荐可编程延迟(Maxim拥有众多的电源排序产品)。
以下设计实例(图2)表示具有本地环路的MAX2140,增添的肖特基二极管能够旁路浪涌电流。

图2. MAX2140接收器和天线模块之间改进后的设计图,所作改进用以防止EOS。
图2. MAX2140接收器和天线模块之间改进后的设计图,所作改进用以防止EOS。

具体的设计改进措施是:
  • MAX2140接收器和天线模块之间的电缆只有0.5Ω的电阻而没有电感。
  • 天线模块具有一个100µF的旁路电容。
  • 天线模块的5V电源由MAX2140接收器提供。
读者可能会问,在最初的40µs瞬态过程中,通过电容的最大电流和电缆的最大压降分别是多少。这些值可以通过以下表达式得到:



该表达式计算通过电容的瞬时电流,其中和可以用相应的增量值来代替。其中,C是电容的电容值。



电容可在0V到5V范围充电。



表示0到40µs之间的时间间隔。

通过旁路电容的电流可以用下式表示:



在40µs瞬态过程中,电缆压降是:



该例子在电流为12.5A时电压是6.25V,远远超过了内部ESD二极管能够允许的瞬态指标。外加一个肖特基二极管可以将瞬态过程中的绝大多数浪涌电流旁路掉。可以选择适合脉冲应用的肖特基二极管,基于图2设计,当用一个适当电容将最大浪涌电流减小到一个可接受的范围时,使用一段短电缆即可以显著减小阻抗和压降。

结论

对于器件的非标准使用(如MAX2140接收器的热插拔操作)中出现的问题,我们需要用相应的方法来解决。为了成功实现器件的非标准使用,必须在Maxim支持和同意的情况下,对产品进行认真的设计和合理的测试。

* 超过绝对最大额定值的应力可能造成器件的永久性损坏,这些绝对最大额定值只是应力额定值。在操作说明书规定范围外的条件下进行的功能操作不包括在内。在绝对最大额定值条件下工作时间过长会影响器件的稳定性。