RS-485总线电路中的过热保护

　　1 引言

　　在某物理层线路驱动电路的热关断(TSD)电路是作为过热保护电路。RS-485物理层电路的低阻抗输出驱动器需要TSD功能用于保护其免受故障或因使用不当而造成损坏。TSD电路的基本功能是检测器件结温(封装硅片温度)是否超过其允许值，并关断驱动器输出电路，以降低结温,使之返回其容许值。

　　TSD电路不应干扰器件的正常工作。具体地说,如果器件结温未超过推荐的工作条件，则不能启用TSD电路。在器件正常工作时启用TSD可能中断数据传输，这是由于TSD触发时低阻抗三态输出，驱动器关断。TSD电路通常与其他故障保护功能相配合。由于TSD触发对数据传输的破坏性，因此TSD电路是器件免受损坏的最后一道保护机制。

　　了解TSD如何实现过热保护有助于正确设计系统,避免误触发TSD。同时还能了解TSD的可靠性、TSD不启动的条件及其局限性。

　　2 过热保护的起因

　　2．1 故障条件

　　2．1．1 短路

　　短路是产生TSD触发的最常见故障。短路时器件结温迅速上升，直至超出所推荐的工作条件。短路分为硬短路(低阻抗)和软短路(中度阻抗)。短路可能在器件总线引脚与电源(电池、稳压电源)、总线引脚与地、总线引脚与总线引脚之间产生，如图1所示。硬短路通常导致TSD在器件的低阻抗输出端触发，这是由于驱动器输出端吸入或源出的电流大大高于正常电流,并且驱动电流通常超出正常工作电流几个数量级。例如,器件正常工作时RS-485驱动电流约为30 mA，而短路时则高于200 mA。软短路可能导致电路TSD触发,主要取决于短路阻抗、短路电压、驱动器输出能力、器件封装、电路板的散热特性以及短路持续时间等因素。当结温超过TSD触发点时，TSD开启，线路驱动器输出关闭。

 

　　2．1．2 总线竞争

　　总线竞争属于数据传输总线故障，可能导致线路TSD触发。当挂接在一条数据总线上的两个或两个以上驱动器同时将总线驱动为相反状态时，则产生总线竞争，如图2所示。总线竞争是短路的另一种表现形式,一般是在两个或两个以上驱动器的总线引脚之间产生,而不是在总线引脚与电源之间或同一驱动器的总线引脚之间产生。地电压偏置VOFFSET会加剧总线竞争,地电压偏置越大，驱动器之间的电位差越高,则短路电流越大，短路电流超过门限时驱动器处入短路状态。短路电流门限越高，地电压偏置量恒定时器件结温越高，结温超过极限时TSD触发，同时调节器件结温。

　　2．2 双极型晶体管的热耗散

　　双极型晶体管集电极电流IC具有正温度系数。双极型晶体管温度越高，输出电流IC就越大。高温下，双极型晶体管内部载流子浓度nI，较大。由于IC与nI成正比，因此输入电压Vbe相同时，电流较大。

　　高温时双极型晶体管输出电流较大，如果电路设计不当，无法限制输出电流，容易产生热失控，如图3(a)所示。双极晶体管采用共射极接法，构成低侧驱动器，带小阻值电阻负载。当双极型晶体管导通时射极电流增加使结温上升，这样流过双极晶体管的电流更大。如果大电流使得结温进一步上升，则形成正反馈,导致温度和电流无限上升，直至双极晶体管由于热击穿而被烧坏。通过短路电流(OOS)限制、射极负反馈和／或热关断等方法来避免双极晶体管热失控，且不宜单独启用TSD。如图3(b)和3(e)所示。TSD电路应与上述方法相配合，最大限度提高承受双极晶体管热失控能力。[page]

　　2．3 高环境温度或高信号速率

　　环境温度过高导致数据传输期间器件结温超过绝对最大额定值，这是过热的另一种表现。当器件从电源吸收足够电流，造成结温升高直至高于环境温度时，启用TSD电路降低器件结温。由于TSD电路能关断驱动器，因此只有当线路驱动器传输数据时才使用TSD降低器件结温。

　　高信号传输速率也能导致数据传输期间器件结温超过绝对最大额定值，这也是过热的另一表现。由于驱动器的高信号速率是造成电路功耗过高的主要原因,因此通常使用TSD降低器件结温。接收器的功耗通常比驱动器小得多，因此，当信号速率较高时,接收器不会导致结温大幅上升。

　　若对环境温度、负载条件、信号传输速率以及应用中电路板的热环境遵循器件制造商推荐的参数进行控制，可避免产生上述两种过热。

　　3 过热保护的实施

　　3．1 驱动器输出电流与结温的关系

　　电路设计时加入TSD电路主要是应对某些故障事件。造成结温升高的主要故障是短路及总线竞争。将驱动器输出置为三态可使器件在过热时免于损坏,因为可对因短路或总线竞争事件导致的较高结温进行调节，使其暂时维持一个较低值。图4为驱动器输出电流与结温的曲线图。当结温升至触发点时,TSD发出信号使驱动器进入三态，可使驱动器输出电流降低至0 mA且结温也随之下降。那么，当结温降至触发点时，驱动器再次打开。需要注意的是,温度升高至超过结温触发点和温度降低至低于结温触发点时均存在迟滞，可避免TSD电路输出的噪声和电压弹跳跃。

　　3．2 过热保护时驱动器输出电流与时间的关系

　　图5为短路时SN65LBC176A驱动器输出电流随时间变化曲线图，测试装置如图6所示。示波器的通道1是总线引脚电压Vbus。通道2是短路时总线引脚的短路电流。A点，由于短路时器件结温升高导致的热效应使TSD触发，驱动器输出三态,电流降低至0 mA。约2 μs后，电路结温下降，驱动器返回B点,如果A点后2μs内排除故障，驱动器返回到打开状态并正常工作。然而，短路依然存在，因此TSD循环打开和关闭,直至短路消失。短路消失后驱动器正常工作，而无需再次对器件上电。

 

　　由图5看出，TSD的持续时间约为4 μs。电流和电压波形均具有瞬变噪声信号，是由寄生电感、总线电容以及测试装置的电阻产生。寄生电感的感应冲击导致总线电压初始值很高。突变启动电压、寄生电感、总线电容以及测试装置的电阻将导致电压和电流波形振动和衰减，主要取决于LRC时间常数。应用中传输线效应使寄生电感减至最低,因此影响并不显著。[page]

　　3．3 热关断电路

　　尽管TSD电路可使器件在短路时免于损坏,但若此类故障频繁产生，则TSD电路也无法保护器件。TSD电路主要用途是使器件免受短时间故障损坏，仅增加了可靠性。因此，建议设计人员应限制短时间故障的次数，从而保证长期的可靠性。

　　3．4 结温调节

　　短路电流(IOS)限制、电压模式检测、电流折返3种技术可用于结温调节。RS-485等数据传输标准通常需要限制IOS，可防止器件供电电源吸收电流过大，使器件不会由于故障立即损坏。由于TSD电路的时间常数比IOS限制电路的时间常数大，因此IOS限制是结温调节的主要措施。IOS电路可立即工作，而触发TSD电路则需要数百毫秒到几秒钟的时间。当器件的总线I／O电压超出推荐工作条件时,可采用电压模式检测关闭驱动器输出。Vbus增加时IOS下降，采用电流折返调节器件功耗。SN65HVD2X系列器件如SN65HVD20、SN65HVD21、SN65HVD22、SN65HVD23和SN65HVD24均支持此类短路限制。电流折返不仅限制功耗，更是为了使驱动器能够在驱动共模负载时保持导通。例如SN65HVD2X系列器件支持-20 V～+25 V的总线电压，当总线电压低于-20 V或超出+25 V时，检测启动电压模式,但不会限制支持的共模电压范围内的功耗。

　　4 过热保护的可靠性

　　为了保护器件，需使用TSD电路实现过热保护。当器件由于某些故障而处于过热时,TSD电路以及其他电路(包括稳压器)是可靠的解决方案。

　　4．1不同热关断触发点

　　理论上TSD触发点可以不同,是TSD保护器件不受过热损坏的主要因素。如果TSD在高温下触发，会危及器件的可靠性。如果TSD在低温下触发,则会干扰器件正常工作。构建TSD电路的具体方式取决于不同的触发点。

　　器件参数指标中一般未给出热关断触发点。原因在于：第一，TSD触发点的生产试验周期很长,成本过高。TSD需要几百毫秒到几秒钟才触发,具体由硅的热时间常数决定。对于RS一485器件,通常试验时间为数百毫秒，因此，TSD触发点未经生产测试。第二，通过模拟或手工方式计算的TSD触发点极值通常并不精确。主要在于仿真模型和工艺技术数据一般仅限于温度不大于150°C。TSD电路在高于150°C触发时，模拟器或手工计算无法很好地对其仿真。TSD电路通常用简化公式来设计,手动归一化，然后在硅中调整规定的触发点。如果将额定触发点刻意调整至低于150°C，模拟器可以给出有关TSD触发点相对变化情况的信息。但是，不能提供绝对触发点的精确信息，除非模拟器设计为工作在150°C以下，而这并非器件所处的典型环境。

　　4．2半导体材料最大允许温度

　　4．2．1 硅材料及扩散

　　硅本身能耐受远远超过150°C的高温。硅的熔点是1 415°C。不过，硅的有用温度范围受临界温度限制，临界温度远低于熔点。生产工艺过程中温度高于150°C且远低于1 415°C时,根据掺杂浓度的不同，半导体在某温度点变为本征态。半导体变为本征态,意味着形成半导体结的杂质的掺杂浓度不再是主导载体浓度。

　　4．2．2 电子迁移及闭锁

　　高温工作时还需要考虑电子迁移和闭锁。当半导体长时间暴露在高温下且流过大电流时，发生电子迁移,导致金属系统或互连半导体成为高阻状态。温度恒定时，如果施加足够大的电流且时间足够长，金属会变成阻性,最终熔断并导致器件发生故障。高温会加剧电子迁移，影响器件的长期可靠性，且与依靠TSD来应对的短时间故障无关。

　　闭锁是器件I／O或电源从I／O端连接的电源或器件电源吸收大量电流(通常为数百毫安秒)时产生的现象。引脚流出超过绝对最大额定值电流的时间太长或交流信号耦合机制的影响会造成闭锁。电源电压瞬变引发器件闭锁,导致I／O端出现振铃，振铃信号能量耦合I／O从而使其闭锁。闭锁的破坏性，取决于锁存引脚的阻抗、锁存时电源阻抗及兼容性以及结温。软闭锁不会破坏器件，但需要电源复位。闭锁是由半导体内部的双极性结引起的，由于双极增益随温度增加,因此高温时容易诱发闭锁事件。TSD电路可使器件结温保持在合理的水平，有助于防止闭锁。

　　4.2．3 封装材料

　　过热应力下需要考虑封装部分如引线框架、塑封料及焊线的材料。新兴的绿色和无铅化合物支持高焊接温度，允许在260°C时短时焊接，湿度敏感等级为1。然而，绿色和无铅型塑封料也会降低高温储存寿命(HTSL)。

　　4．2．4长期高温的影响

　　新兴的绿色和无铅塑封料在140°C时的HTSL限制约为10年。在可靠性测试中可导致器件失效的主要机制是kirkendall空洞现象。随着时间推移，半导体中连接焊线和焊盘的球键强度会被塑封料减弱。一旦球形结点的键合强度减弱到一定程度，就变为开路，最终导致器件故障。在对抗kirkendall空洞方面，铜的键合强度远远好于掺铜铝焊盘。

　　负偏压温度不稳定性(NBTl)也是造成器件高温故障的一个重要原因。pMOS晶体管参数有较大漂移，NBTI便是其中一种表现形式。测试NBTI时，pMOS的栅极负压偏置，其他端均为地电位(图7)，测试装置处于高温。pMOS的参数在时间零点测量，通过测试确定这些条件下的参数偏移度，从而定义NBTI。温度和偏置电压足够高时，pMOS的NBTI可以限制或完全影响晶体管性能。注意：由于pMOSNBTI的影响，阈值电压Vt、电流驱动Id、和栅极电容Cg的漂移比较明显。

 

　　4．2．5 半导体材料最大允许温度

　　器件结温较高时，会出现许多潜在的危险因素。采用绿色和无铅封装以及标准铜掺铝焊垫时器件的HTSL较低，最有可能引发长期可靠性问题，因为形成kirkendall空洞效应的温度低于造成电子迁移的温度。TSD电路调节器件结温，可防止短路故障。TSD也有助于预防闭锁。如果器件持续短路，TSD有助于器件持续工作更长的时间，但不能指望TSD可使器件始终在故障下工作。

　　5 结束语

　　在某些短时间故障下，TSD电路具有保护器件的功能。虽然TSD有助于器件长期可靠性，但它们并不是专门用于改善长期可靠性的。在器件的建议工作条件下正确使用是增强长期可靠性的唯一途径。故障时短时间工作在绝对最大额定值是允许的,但长期工作在绝对最大额定条件下可能会影响器件的可靠性。

　　大多数TSD电路根据实验测试设计,因为仿真器只限于工作在温度低于TSD触发点的环境。TSD电路的触发点范围相当严格，应保护器件同时不应干扰正常工作。可采用多种反应速度快于TSD的技术来进一步限制器件结温,从而保护器件。