【導(dǎo)讀】汽車應(yīng)用中的惡劣工作環(huán)境對(duì)集成電路的技術(shù)要求極端苛刻，電路必須能夠承受高電壓和電流、極端溫度和濕度、振動(dòng)、輻射以及各種其他應(yīng)力。本文描述了工程師在將模擬開關(guān)和多路復(fù)用器設(shè)計(jì)到惡劣環(huán)境下所用模塊中時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，并提供了一些一般解決方案建議，以供電路設(shè)計(jì)人員用來保護(hù)容易損壞的 器件。另外，文中介紹了一些新款集成開關(guān)和多路復(fù)用器，這些器件在過壓保護(hù)、防閂鎖特性和故障保護(hù)上均有所改善，能夠處理常見應(yīng)力狀況。
汽車、軍事和航空電子應(yīng)用中的惡劣工作環(huán)境對(duì)集成電路的技術(shù)要求極端苛刻，電路必須能夠承受高電壓和電流、極端溫度和濕度、振動(dòng)、輻射以及各種其他應(yīng)力。為了提供安全、娛樂、遠(yuǎn)程信息處理、控制和人機(jī)界面等應(yīng)用領(lǐng)域所需的特性和功能，系統(tǒng)工程師迅速采用高性能電子器件。隨著精密電子器件的使用日益增加，系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜，而且更易受到電子干擾，其中包括過壓、閂鎖狀況和靜電放電(ESD)事件。這些應(yīng)用中采用的電子電路需要具有高可靠性和對(duì)系統(tǒng)故障的高耐受性，因此設(shè)計(jì)人員在選擇器件時(shí)必須考慮到環(huán)境因素和器件自身限制。
此外，每個(gè)集成電路都有制造商規(guī)定的一些絕對(duì)最大額定值；設(shè)計(jì)時(shí)必須留意這些額定值，才能確保性能可靠且達(dá)到公布的技術(shù)規(guī)格。一旦超過這些絕對(duì)最大額定值，則無法保證工作參數(shù)；甚至可能導(dǎo)致內(nèi)置ESD、過壓或閂鎖保護(hù)失效，從而導(dǎo)致器件（并有可能更進(jìn)一步）損壞或出現(xiàn)故障。
本文描述了工程師在將模擬開關(guān)和多路復(fù)用器設(shè)計(jì)到惡劣環(huán)境下所用模塊中時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，并提供了一些一般解決方案建議，以供電路設(shè)計(jì)人員用來保護(hù)容易損壞的器件。另外，文中介紹了一些新款集成開關(guān)和多路復(fù)用器，這些器件在過壓保護(hù)、防閂鎖特性和故障保護(hù)上均有所改善，能夠處理常見應(yīng)力狀況。
標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)架構(gòu)
要完全弄清楚模擬開關(guān)上故障狀況造成的影響，首先必須查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作極限。
標(biāo)準(zhǔn)CMOS開關(guān)（圖1）采用N和P溝道MOSFET作為開關(guān)元件、數(shù)字控制邏輯和驅(qū)動(dòng)器電路。N和P溝道 MOSFET以并聯(lián)方式相連，允許進(jìn)行雙向操作，并將模擬輸入電壓范圍可以擴(kuò)展到供電軌，同時(shí)在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)使導(dǎo)通電阻保持相當(dāng)恒定。
圖1.標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)電路
信號(hào)源、漏極和邏輯控制端對(duì)正負(fù)源電壓都設(shè)計(jì)有箝位二極管以提供ESD保護(hù)，如圖1所示。在正常工作模式下，這些二極管反向偏置，因此除非信號(hào)超過電源電壓，否則不會(huì)通過電流。這些二極管的尺寸因工藝而異，不過一般都采用小型設(shè)計(jì)，以盡量減少正常工作時(shí)的漏電流。
模擬開關(guān)的控制方式如下：當(dāng)柵極-源極電壓為正值時(shí)，N溝道器件導(dǎo)通，而當(dāng)該電壓為負(fù)值時(shí)則關(guān)斷；P溝道器件由互補(bǔ)信號(hào)進(jìn)行切換，因此與N溝道器件同時(shí)接通。開關(guān)的接通與斷開是通過在兩個(gè)柵極上分別施加正負(fù)源電壓來實(shí)現(xiàn)的。
當(dāng)柵極上的電壓固定時(shí)，兩個(gè)晶體管的有效驅(qū)動(dòng)電壓隨著通過開關(guān)的模擬信號(hào)極性和幅度變化而呈比例變化。圖2中的虛線表示，當(dāng)輸入信號(hào)接近電源電壓時(shí)，總有一個(gè)器件的溝道開始飽和，從而造成該器件的導(dǎo)通電阻急劇增加。不過，并聯(lián)器件在供電軌電壓附近相互補(bǔ)償，因此最終得到的是完全的軌到軌開關(guān)，并且導(dǎo)通電阻在信號(hào)范圍內(nèi)保持相對(duì)恒定。
圖2.標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)RON圖
絕對(duì)最大額定值
設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的開關(guān)功率要求，這樣才能保證性能、操作和壽命均達(dá)到最佳。不幸的是，實(shí)際操作過程中存在電源故障、惡劣環(huán)境中的電壓瞬變和系統(tǒng)或用戶故障，因而不可能始終達(dá)到數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求。
只要模擬開關(guān)的輸入電壓超過電源電壓，即使電源已關(guān)閉，內(nèi)置ESD保護(hù)二極管變成正向偏置，允許流過大電流，這樣即會(huì)超過那些額定值。正向偏置時(shí)，這些二極管導(dǎo)通電流并不只局限于幾十毫安，一旦不對(duì)這個(gè)正向電流加以限制，就可能會(huì)造成器件損壞。更為嚴(yán)重的是，故障導(dǎo)致的損壞并不限于開關(guān)，也可能影響到下游電路。
數(shù)據(jù)手冊(cè)的“絕對(duì)最大額定值”部分（圖 3）描述了器件可以耐受的最大應(yīng)力條件；請(qǐng)務(wù)必注意，這些只是額定最值。長期在絕對(duì)最大額定值條件下工作會(huì)影響器件的可靠性。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)始終遵循良好的工程實(shí)踐做法，在設(shè)計(jì)中保留余量。此處示例摘自標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)/多路復(fù)用器數(shù)據(jù)手冊(cè)。
圖3.數(shù)據(jù)手冊(cè)的“絕對(duì)最大額定值”部分
本例中，VDD至VSS參數(shù)的額定值為 18 V。該額定值取決于開關(guān)的制造工藝和設(shè)計(jì)架構(gòu)。所有高于18V的電壓都必須與該開關(guān)完全隔離開來，否則將會(huì)超過與該工藝相關(guān)的元件本征擊穿電壓，而這可能會(huì)損壞器件并導(dǎo)致工作不可靠。
無論是否施加電源，模擬開關(guān)輸入端的電壓上限通常都取決于ESD保護(hù)電路，該電路可能會(huì)因發(fā)生故障情況而失效。
圖4.模擬開關(guān)—ESD保護(hù)二極管
在將開關(guān)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中時(shí)，需要考慮到系統(tǒng)中因器件故障、用戶錯(cuò)誤或環(huán)境影響而可能出現(xiàn)的各種潛在故障，這點(diǎn)非常重要。下一節(jié)將討論超過標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)絕對(duì)最大額定值的故障狀況是如何損壞開關(guān)或?qū)е缕涔ぷ鞑徽５摹?br /> [page]
常見故障狀況、系統(tǒng)應(yīng)力和保護(hù)方法
故障狀況的出現(xiàn)原因各不相同；表1中列出了一些最為常見的系統(tǒng)應(yīng)力及其實(shí)際來源：
有些應(yīng)力可能無法避免。無論應(yīng)力的來源是什么，更為重要的是如何處理其產(chǎn)生的影響。下文問答環(huán)節(jié)涵蓋了過壓、閂鎖和 ESD 事件三種故障狀況并提供了一些常見的保護(hù)方法。
