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(shì)。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(shì)，最后介紹了ADI業(yè)界先進(jìn)的故障保護(hù)模擬開關(guān)產(chǎn)品系列。

　　過電壓?jiǎn)栴}一回顧基礎(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：

　　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)。

　　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)。

　　串聯(lián)電阻會(huì)延長(zhǎng)多路復(fù)用器的建立時(shí)間并縮短整體建立時(shí)間。

　　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(cè)量結(jié)果的精度和線性度。

　　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)檩敵龆送ǔ２恍枰^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5.5kV。

　　ADG5412F產(chǎn)品詳情

　　過壓保護(hù)最高可達(dá)

　　?55 V and + 55 V

　　關(guān)斷保護(hù)可達(dá)?55 V和+55 V

　　源極引腳有過壓保護(hù)

　　低導(dǎo)通電阻：10 ?

　　導(dǎo)通電阻平坦度：0.5 ?

　　人體模型(HBM)ESD額定值：5.5 kV

　　所有條件下都具有防閂鎖特性

　　無數(shù)字顯示的已知狀態(tài)

　　模擬電壓范圍VSS 至 VDD

　　±5 V至±22 V雙電源供電

　　8 V至44 V單電源供電

　　額定電源電壓：±15 V、±20 V、+12 V和+36 V

　　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(jiǎn)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)±55V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)界先進(jìn)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±500mA的JESD78D閂鎖測(cè)試，這是規(guī)范中最嚴(yán)格的測(cè)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)界先進(jìn)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)界先進(jìn)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(shì)。

　　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)界先進(jìn)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(cè)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。

　　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(cè)量誤差。

　　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(cè)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(cè)量，因而系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間得以縮短。ADG5248F8:1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(shì)

　　故障保護(hù)開關(guān)新型產(chǎn)品系列的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)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(shì)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(shì)。

　　與分立保護(hù)器件相比，其優(yōu)勢(shì)非常明顯，這些優(yōu)勢(shì)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(shì)。

　　業(yè)界先進(jìn)的RON平坦度，非常適合精密測(cè)量

　　業(yè)界先進(jìn)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)

　　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

　　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(zhǎng)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(cè)量應(yīng)用，低漏電流非常重要。

　　模擬開關(guān)采用±15V電源，同時(shí)副故障電源設(shè)置為5V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)界先進(jìn)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±15V供電，而下游ADC則具有0V至5V的輸入信號(hào)范圍。

　　通道保護(hù)器位于PGA和ADC之間。采用±15V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0V和5V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0V和5V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(shì)。除了節(jié)省電路板空間外，代替分立器件的性能優(yōu)勢(shì)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。此系列產(chǎn)品采用專有的高電壓和防閂鎖工藝打造而成，能夠?yàn)榫苄盘?hào)鏈提供業(yè)界先進(jìn)的性能和特性。