半导体(IC)稳健性-工作温度范围是什么?如何处理高电气噪音?ESD和故障保护呢?这些问题不一定是设计工程师在选择集成电路时首先考虑的事情。尽管如此，稳健性是长期运行和可靠，信誉良好的最终产品的关键性能参数。在为恶劣操作条件常见的工业环境设计系统时尤其如此。工业设备可以暴露在很宽的温度范围内，电源线或数据线上的高电气噪声，以及ESD或短路等故障事件。

今天，工业环境中集成电路的实际温度标准为-40°C至+85°C，比多年前的标准-40°C至+70°C温度范围高+15°C。行业趋势是更高的温度运行，最终新的期望将是汽车行业的-40°C到+125°C。更高的电流和功率密度使得IC公司显然必须设计能够承受更宽温度范围的电路。或者被排除在决策过程之外。

处理电压瞬变

由于接线错误或意外短路，供电线路经常出现电压瞬变现象。如果输入不受保护，这些瞬变会损坏下游电路。一种简单而分立的电路由串联熔断器和瞬态电压抑制(TVS)二极管组成，传统上用于防止大多数电压瞬态(图1)。

然而，使用分立元件的瞬态保护有其自身的局限性。TVS二极管上的保护阈值通常不能很好地控制，并且可以随温度急剧变化。当出现过压情况时，需要更换熔断器。最后，大的瞬态需要大的TVS二极管，这会消耗电路板空间并散发额外的热量。

管理过电压和瞬态事件的一种更可控的方法是将保护阈值和反应电路集成到IC中。为了确保每次都有可靠的响应，内部比较器和二极管被设计成许多监督和保护IC。一些集成电路集成了数据线的高压故障保护。为了保护自身不受损坏，当超过正常数据线电压水平时，故障保护装置将锁存。其中一个例子是MAX4708系列多路复用器。MAX4708/ MAX4709包括两个故障检测器:一个高侧检测器用于正轨(V+)以上的NO_电压，一个低侧检测器用于负轨(V-)以下的NO_电压(图2)。当NO_电压超过任何一个供电轨时发生故障，此时，N1和P1场效应管都关闭。当发生故障时，这种方法可以快速断开开关的输入和输出。

数据系统中的电压瞬变也可以用RS-485收发器进行管理。RS-485收发器的接收器输入和驱动器输出可能暴露在明显高于工业系统EIA/TIA-485标准中规定的-7V至+12V共模范围的电压下。较新的收发器已被设计为能够承受这些过电压事件，现在甚至可以承受高达±80V(相对于地)而不会损坏。这种最先进的技术确保了强大的保护和使用寿命。

防静电和故障保护

集成的ESD电路保护IC免受ESD事件的破坏，并有助于使整个系统更加健壮。

静电放电(ESD)是另一种过电压事件，当具有不同电势的两种材料接触时，将储存的静电荷转移并产生火花。ESD火花通常是由人与周围环境的相互作用产生的。这些无意的火花可以改变半导体器件的特性，使其降级或完全破坏。ESD是一个严重的工业问题，估计每年造成数十亿美元的损失。现场发生的ESD事件会导致单个组件故障，有时还会导致灾难性的系统故障。

外部ESD二极管和其他类型的分立元件电路可用于保护数据线。许多集成电路设备集成了一定程度的ESD保护，不需要对集成电路本身进行进一步的外部保护。图3显示了一个非常简化的通用综合保护方案的功能图。信号输入/输出(I/O)处的电压尖峰被箝位到V(CC)或GND并保护内部电路。许多接口产品和交换机都集成了符合IEC 1000-4-2标准的ESD保护。值得注意的是，Devices最近在其PROFIBUS RS-485收发器MAX14770E上实现了±35kV的ESD人体模型(HBM)水平。

结论

虽然鲁棒性涵盖了从工作温度范围到故障和线路保护，再到ESD和短路等一系列不同的设计问题，但它通常不是设计工程师首先要解决的问题。这可能是一个严重的错误。工业市场中的应用需要坚固的部件来承受随之而来的恶劣环境。应该在设计这些应用程序的早期阶段就考虑健壮性。