【導(dǎo)讀】設(shè)計(jì)具有魯棒性的電子電路較為困難，通常會(huì)導(dǎo)致具有大量分立保護(hù)器件的設(shè)計(jì)的相關(guān)成本增加、時(shí)間延長、空間擴(kuò)大。本文將討論故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)，及其與傳統(tǒng)分立保護(hù)解決方案相比的性能優(yōu)勢和其他優(yōu)點(diǎn)。
下文討論了一種新型開關(guān)架構(gòu)，以及提供業(yè)界領(lǐng)先的故障保護(hù)性能以及精密信號(hào)鏈所需性能的專有高電壓工藝。ADI的故障保護(hù)開關(guān)和多路復(fù)用器新型產(chǎn)品系列（ADG52xxF和ADG54xxF）就是采用這種技術(shù)。
高性能信號(hào)鏈的模擬輸入保護(hù)往往令系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員很頭痛。通常，需要在模擬性能（例如漏電阻和導(dǎo)通電阻）和保護(hù)水平（可由分立器件提供）之間進(jìn)行權(quán)衡。
用具有過電壓保護(hù)功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器代替分立保護(hù)器件能夠在模擬性能、魯棒性和解決方案尺寸方面提供顯著的優(yōu)勢。過電壓保護(hù)器件位于敏感下游電路和受到外部應(yīng)力的輸入端之間。一個(gè)例子是過程控制信號(hào)鏈中的傳感器輸入端。
本文詳細(xì)說明了由過電壓事件引起的問題，討論了傳統(tǒng)分立保護(hù)解決方案及其相關(guān)缺點(diǎn)，還介紹了過電壓保護(hù)模擬開關(guān)解決方案的特性和系統(tǒng)優(yōu)勢，最后介紹了ADI業(yè)界領(lǐng)先的故障保護(hù)模擬開關(guān)產(chǎn)品系列。
過電壓問題—回顧基礎(chǔ)
如果施加在開關(guān)上的輸入信號(hào)超過電源電壓（VDD或VSS）一個(gè)以上二極管壓降，則IC內(nèi)的ESD保護(hù)二極管將變成正向偏置，而且電流將從輸入信號(hào)端流至電源，如圖1所示。這種電流會(huì)損壞元件，如果不加以限制，還可能觸發(fā)閂鎖事件。
圖1.過壓電流路徑。
如果開關(guān)未上電，則可能出現(xiàn)以下幾種情形：
1.如果電源浮動(dòng)，輸入信號(hào)可能通過ESD二極管向上對(duì)VDD供電軌供電。這種情況下，VDD電平會(huì)處于輸入信號(hào)電壓減去一個(gè)正向二極管壓降的范圍內(nèi)。
2.I如果電源接地，PMOS器件將在負(fù)VGS下接通，開關(guān)將把削減的信號(hào)傳至輸出端，這可能會(huì)損壞同樣未上電的下 游器件（參見圖2）。注：如果有二極管連接至電源，它們將發(fā)生正向偏置，把信號(hào)削減為+0.7 V。
圖2.電源接地時(shí)的過電壓信號(hào)。
分立保護(hù)解決方案
設(shè)計(jì)人員通常采用分立保護(hù)器件解決輸入保護(hù)問題。
通常會(huì)利用大的串聯(lián)電阻限制故障期間的電流，而連接至供 電軌的肖特基或齊納二極管將箝位任意過電壓信號(hào)。圖3所 示為多路復(fù)用信號(hào)鏈中這種保護(hù)方案的一個(gè)示例。
但是，使用此類分立保護(hù)器件存在許多缺點(diǎn)。
1.串聯(lián)電阻會(huì)延長多路復(fù)用器的建立時(shí)間并縮短整體建立 時(shí)間。
2.保護(hù)二極管會(huì)產(chǎn)生額外的漏電流和不斷變化的電容，從 而影響測量結(jié)果的精度和線性度。
3.在電源浮動(dòng)情況時(shí)時(shí)沒有任何保護(hù)，因?yàn)檫B接至電源的 ESD二極管不會(huì)提供任何箝位保護(hù)。
圖3.分立保護(hù)解決方案。
傳統(tǒng)開關(guān)架構(gòu)
圖4為一種傳統(tǒng)開關(guān)架構(gòu)的概覽。在開關(guān)器件（在圖4的右側(cè)） 中，ESD二極管連接至開關(guān)元件輸入和輸出端的供電軌。圖 中還顯示了外部分立保護(hù)器件—用于限制電流的串聯(lián)電阻 和用于實(shí)現(xiàn)過電壓箝位的肖特基二極管（連接至電源）。在 苛刻環(huán)境下，通常還需要利用雙向TVS提供額外的保護(hù)。
圖4.采用外部分立保護(hù)器件的傳統(tǒng)開關(guān)架構(gòu)。
故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)
故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)如圖5所示。輸入端的ESD二極管用雙向 ESD單元代替，輸入電壓范圍不再受連接至供電軌的ESD二 極管限制。因此，輸入端的電壓可能達(dá)到工藝限值（ADI提 供的新型故障保護(hù)開關(guān)的限值為±55 V）。
大多數(shù)情況下，ESD二極管仍然存在于輸出端，因?yàn)檩敵龆?通常不需要過電壓保護(hù)。
輸入端的ESD單元仍然能夠提供出色的ESD保護(hù)。使用此類 ESD單元的ADG5412F過電壓故障保護(hù)四通道SPST開關(guān)的 HBM ESD額定值可達(dá)到5.5 kV。
對(duì)于IEC ESD (IEC 61000-4-2)、EFT或浪涌保護(hù)等更嚴(yán)格的情 況，可能仍然需要一個(gè)外部TVS或一個(gè)小型限流電阻。
圖5.故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)。
開關(guān)的一個(gè)輸入端發(fā)生過電壓狀況時(shí)，受影響的通道將關(guān) 閉，輸入將變?yōu)楦咦钁B(tài)。其他通道上的漏電流仍然很小，因 而其余通道能夠繼續(xù)正常工作，而且對(duì)性能的影響極小。幾 乎不用在系統(tǒng)速度/性能和過電壓保護(hù)之間進(jìn)行妥協(xié)。
因此，故障保護(hù)開關(guān)能夠大幅簡化信號(hào)鏈解決方案。很多情 況下都需要使用限流電阻和肖特基二極管，而開關(guān)過電壓保 護(hù)消除了這種需要。整體系統(tǒng)性能也不再受通常會(huì)引起信號(hào) 鏈漏電和失真的外部分立器件限制。
ADI 故障保護(hù)開關(guān)的特性
ADI的故障保護(hù)開關(guān)新型產(chǎn)品系列采用專有高電壓工藝打造 而成，能夠在上電和未上電狀態(tài)下提供高達(dá)±55 V的過電壓 保護(hù)。這些器件能夠?yàn)榫苄盘?hào)鏈?zhǔn)褂玫墓收媳Ｗo(hù)開關(guān)提供 業(yè)界領(lǐng)先的性能。
圖6.溝槽隔離工藝。
防閂鎖性
專有高電壓工藝也采用了溝槽隔離技術(shù)。各開關(guān)的NDMOS與 PDMOS晶體管之間有一個(gè)絕緣氧化物層。因此，它與結(jié)隔離式 開關(guān)不同，晶體管之間不存在寄生結(jié)，從而抑制了所有情況下 的閂鎖現(xiàn)象。例如，ADG5412F通過了1秒脈寬±500 mA的 JESD78D閂鎖測試，這是規(guī)范中最嚴(yán)格的測試。
模擬性能
新型ADI故障保護(hù)開關(guān)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的魯棒性（過 電壓保護(hù)、高ESD額定值、上電時(shí)無數(shù)字輸入控制時(shí)處于已 知狀態(tài)），而且還具有業(yè)界領(lǐng)先的模擬性能。模擬開關(guān)的性 能總是要在低導(dǎo)通電阻和低電容/電荷注入之間進(jìn)行權(quán)衡。模 擬開關(guān)的選擇通常取決于負(fù)載是高阻抗還是低阻抗。
低阻抗系統(tǒng)
低阻抗系統(tǒng)通常采用低導(dǎo)通電阻器件，其中模擬開關(guān)的導(dǎo)通 電阻需要保持在最小值。在電等低阻抗系統(tǒng)中—例如源或增 益級(jí)—導(dǎo)通電阻和源阻抗與負(fù)載處于并聯(lián)狀態(tài)會(huì)引起增益 誤差。雖然許多情況下能夠?qū)υ鲆嬲`差進(jìn)行校準(zhǔn)，但是信號(hào) 范圍內(nèi)或通道之間的導(dǎo)通電阻 (RON) 變化所引起的失真就 無法通過校準(zhǔn)進(jìn)行消除。因此，低阻電路更受制于因RON平 坦度和通道間的RON變化所導(dǎo)致的失真誤差。
圖7顯示了一個(gè)新型故障保護(hù)開關(guān)在信號(hào)輸入范圍內(nèi)的導(dǎo)通 電阻特性。除了能夠?qū)崿F(xiàn)極低的導(dǎo)通電阻外，RON平坦度和 通道之間的一致性也非常出色。這些器件采用具有專利技術(shù) 的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，能夠確保在信號(hào)輸入電壓范圍內(nèi)VGS電 壓保持恒定從而導(dǎo)致平坦的RON性能。權(quán)衡就是信號(hào)輸入范 圍略有縮小，開關(guān)導(dǎo)通性能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，這可從RON圖的形狀 看出。在對(duì)RON變化或THD敏感的應(yīng)用中，這種RON性能可使 系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。
圖7.故障保護(hù)開關(guān)導(dǎo)通電阻。
ADG5404F是一款新型的具有防閂鎖、過壓故障保護(hù)功能的 多路復(fù)用器。與標(biāo)準(zhǔn)器件相比，具有防閂鎖功能和過電壓保 護(hù)功能的器件通常具有更高的導(dǎo)通電阻和更差的導(dǎo)通電阻 平坦度。但是，由于ADG5404F設(shè)計(jì)中采用了恒定VGS方案， RON平坦度實(shí)際上優(yōu)于ADG1404（業(yè)界領(lǐng)先的低導(dǎo)通電阻） 和ADG5404（防閂鎖，但沒有過電壓保護(hù)功能）。在很多應(yīng) 用中，例如RTD溫度測量，RON平坦度實(shí)際上比導(dǎo)通電阻的 絕對(duì)值更重要，因此具有故障保護(hù)功能的模擬開關(guān)在此類系 統(tǒng)中具有提高其產(chǎn)品性能的潛力。
低阻抗系統(tǒng)的典型故障模式是在發(fā)生故障時(shí)漏極輸出變成 開路。
高阻抗系統(tǒng)
在高阻抗系統(tǒng)通常采用低漏電流、低電容和低電荷注入開 關(guān)。由于多路復(fù)用器輸出上的放大器負(fù)載，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通 常具有高阻抗。
1.漏電流是高阻抗電路的主要誤差來源。任意漏電流都可能 產(chǎn)生顯著的測量誤差。
2.低電容和低電荷注入也對(duì)快速建立至關(guān)重要。這可使數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大的數(shù)據(jù)吞吐量。
新型ADI故障保護(hù)開關(guān)的漏電性能非常出色。正常工作時(shí)， 漏電流處于低nA范圍內(nèi)，這對(duì)在許多應(yīng)用中進(jìn)行精確測量至 關(guān)重要。
最重要的是，即使其中一條輸入通道處于故障狀態(tài)，防漏性 能依然十分出色。這意味著，在修復(fù)故障前，可繼續(xù)對(duì)其他 通道進(jìn)行測量，因而系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間得以縮短。ADG5248F 8:1 多路復(fù)用器的過電壓漏電流如圖8所示。
高阻抗系統(tǒng)的典型故障模式是在發(fā)生故障時(shí)使漏極輸出拉 至供電軌。
圖8.ADG5248F 過電壓漏電流的溫度特性。
故障診斷
大部分新型ADI故障保護(hù)開關(guān)還采用了數(shù)字故障引腳。FF引 腳是通用故障標(biāo)志，表示其中一條輸入通道處于故障狀態(tài)。 特殊故障引腳（或SF引腳）可用于診斷哪一路特定輸入處于 故障狀態(tài)。
這些引腳對(duì)在系統(tǒng)中進(jìn)行故障診斷非常有用。FF 引腳首先向 用戶發(fā)出故障警告。隨后，用戶可輪詢數(shù)字輸入，然后SF 引腳將報(bào)出哪些特定開關(guān)或通道處于故障狀態(tài)。
系統(tǒng)優(yōu)勢
故障保護(hù)開關(guān)新型產(chǎn)品系列的系統(tǒng)優(yōu)勢如圖9所示。無論是 在確保精密信號(hào)鏈的出色模擬性能方面，還是在系統(tǒng)魯棒性 方面，該產(chǎn)品系列為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來的優(yōu)勢都非常巨大。
圖9.ADI 故障保護(hù)開關(guān)—特性和系統(tǒng)優(yōu)勢。
與分立保護(hù)器件相比，其優(yōu)勢非常明顯，這些優(yōu)勢已在前文 詳細(xì)說明。專有高電壓工藝和新型開關(guān)架構(gòu)還賦予了ADI故 障保護(hù)開關(guān)新產(chǎn)品系列多項(xiàng)優(yōu)于同類解決方案的優(yōu)勢。
1.業(yè)界領(lǐng)先的RON平坦度，非常適合精密測量
2.業(yè)界領(lǐng)先的故障漏電流，能夠在未受故障影響的其他通道 上繼續(xù)工作（比同類解決方案性能好10倍）
3.器件配備副故障電源，可實(shí)現(xiàn)精密故障閾值設(shè)定，同時(shí)還 能維持出色的模擬開關(guān)性能
4.適合系統(tǒng)故障診斷的智能故障標(biāo)志
應(yīng)用范例
圖10所示的第一個(gè)應(yīng)用范例是過程控制信號(hào)鏈，其中，微控制 器可監(jiān)控多個(gè)傳感器，例如RTD或熱電偶溫度傳感器、壓力傳 感器和濕度傳感器。在過程控制應(yīng)用中，傳感器可能連接在工 廠中一條非常長的電纜上，整條電纜都有可能出現(xiàn)故障。
此范例采用的多路復(fù)用器是ADG5249F，該器件已針對(duì)低電 容和低漏電流進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于此類小型信號(hào)傳感器測量應(yīng) 用，低漏電流非常重要。
模擬開關(guān)采用±15 V電源，同時(shí)副故障電源設(shè)置為5 V和 GND，能夠保護(hù)下游PGA和ADC。
主傳感器信號(hào)通過多路復(fù)用器傳至PGA和ADC，而故障診斷 信息則直接發(fā)送至微控制器，用于在發(fā)生故障時(shí)提供中斷功 能。因此，用戶可收到故障狀況的警告，并確定哪些傳感器 發(fā)生故障。然后便可派出技術(shù)人員對(duì)故障進(jìn)行調(diào)試，必要時(shí) 可更換發(fā)生故障的傳感器或電纜。
得益于業(yè)界領(lǐng)先的低故障漏電流規(guī)格，當(dāng)其中一個(gè)傳感器故 障、正在等待更換時(shí)，其他傳感器可以繼續(xù)執(zhí)行監(jiān)控功能。 如果沒有這種低故障漏電流，一條通道發(fā)生故障可能導(dǎo)致所 有其他通道無法使用，故障被修復(fù)后才可重新使用。
圖10.過程控制應(yīng)用范例。
圖11中的第二個(gè)應(yīng)用范例是數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的一部分，其 中，ADG5462F通道保護(hù)器可增添額外的價(jià)值。在此范例中， PGA采用±15 V供電，而下游ADC則具有0 V至5 V的輸入信 號(hào)范圍。
通道保護(hù)器位于PGA 和ADC 之間。采用±15 V 作為主電源， 以獲得出色的導(dǎo)通電阻性能，而其副供電軌則采用0 V 和5 V 電壓。正常工作時(shí)，ADG5462F 允許信號(hào)通過，但會(huì)將PGA 的所有過電壓輸出箝位至0 V 和5 V 之間，以保護(hù)ADC。因 此，與前面的應(yīng)用范例一樣，目標(biāo)信號(hào)輸入范圍會(huì)在平坦的 RON 工作區(qū)域中。
圖11.數(shù)據(jù)采集應(yīng)用范例。
總結(jié)
用具有過電壓保護(hù)功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器代替?zhèn)鹘y(tǒng) 分立保護(hù)器件可在精密信號(hào)鏈中提供多項(xiàng)系統(tǒng)優(yōu)勢。除了節(jié) 省電路板空間外，代替分立器件的性能優(yōu)勢也非常明顯。
ADI公司提供多種具有過電壓保護(hù)功能的模擬開關(guān)和多路復(fù) 用器。表1和表2列出了最新的故障保護(hù)器件產(chǎn)品系列。這些 產(chǎn)品系列采用專有的高電壓和防閂鎖工藝打造而成，能夠?yàn)?精密信號(hào)鏈提供業(yè)界領(lǐng)先的性能和特性。
產(chǎn)品系列匯總
表1.低導(dǎo)通電阻型故障保護(hù)開關(guān) 產(chǎn)品 配置
表2.低電容/低電荷注入型故障保護(hù)開關(guān)
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