下文討論了一種新型開(kāi)關(guān)架構，以及提供業(yè)界領(lǐng)先的故障保護性能以及精密信號鏈所需性能的專(zhuān)有高電壓工藝。ADI的故障保護開(kāi)關(guān)和多路復用器新型產(chǎn)品系列（ADG52xxF和ADG54xxF）就是采用這種技術(shù)。

 

高性能信號鏈的模擬輸入保護往往令系統設計人員很頭痛。通常，需要在模擬性能（例如漏電阻和導通電阻）和保護水平（可由分立器件提供）之間進(jìn)行權衡。

 

用具有過(guò)電壓保護功能的模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器代替分立保護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(zhù)的優(yōu)勢。過(guò)電壓保護器件位于敏感下游電路和受到外部應力的輸入端之間。一個(gè)例子是過(guò)程控制信號鏈中的傳感器輸入端。

 

本文詳細說(shuō)明了由過(guò)電壓事件引起的問(wèn)題，討論了傳統分立保護解決方案及其相關(guān)缺點(diǎn)，還介紹了過(guò)電壓保護模擬開(kāi)關(guān)解決方案的特性和系統優(yōu)勢，最后介紹了ADI業(yè)界領(lǐng)先的故障保護模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)品系列。

 

過(guò)電壓?jiǎn)?wèn)題—回顧基礎

 

如果施加在開(kāi)關(guān)上的輸入信號超過(guò)電源電壓（VDD或VSS）一個(gè)以上二極管壓降，則IC內的ESD保護二極管將變成正向偏置，而且電流將從輸入信號端流至電源，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(guò)壓電流路徑。

 

如果開(kāi)關(guān)未上電，則可能出現以下幾種情形：

 

1.如果電源浮動(dòng)，輸入信號可能通過(guò)ESD二極管向上對VDD供電軌供電。這種情況下，VDD電平會(huì )處于輸入信號電壓減去一個(gè)正向二極管壓降的范圍內。

 

2.I如果電源接地，PMOS器件將在負VGS下接通，開(kāi)關(guān)將把削減的信號傳至輸出端，這可能會(huì )損壞同樣未上電的下 游器件（參見(jiàn)圖2）。注：如果有二極管連接至電源，它們將發(fā)生正向偏置，把信號削減為+0.7 V。

 

圖2.電源接地時(shí)的過(guò)電壓信號。

 

分立保護解決方案

 

設計人員通常采用分立保護器件解決輸入保護問(wèn)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(guò)電壓信號。圖3所 示為多路復用信號鏈中這種保護方案的一個(gè)示例。

 

但是，使用此類(lèi)分立保護器件存在許多缺點(diǎn)。

 

1.串聯(lián)電阻會(huì )延長(cháng)多路復用器的建立時(shí)間并縮短整體建立 時(shí)間。

 

2.保護二極管會(huì )產(chǎn)生額外的漏電流和不斷變化的電容，從 而影響測量結果的精度和線(xiàn)性度。

 

3.在電源浮動(dòng)情況時(shí)時(shí)沒(méi)有任何保護，因為連接至電源的 ESD二極管不會(huì )提供任何箝位保護。

 

圖3.分立保護解決方案。

 

傳統開(kāi)關(guān)架構

 

圖4為一種傳統開(kāi)關(guān)架構的概覽。在開(kāi)關(guān)器件（在圖4的右側） 中，ESD二極管連接至開(kāi)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器件—用于限制電流的串聯(lián)電阻 和用于實(shí)現過(guò)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。

 

圖4.采用外部分立保護器件的傳統開(kāi)關(guān)架構。

 

故障保護開(kāi)關(guān)架構

 

故障保護開(kāi)關(guān)架構如圖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到工藝限值（ADI提 供的新型故障保護開(kāi)關(guān)的限值為±55 V）。

 

大多數情況下，ESD二極管仍然存在于輸出端，因為輸出端 通常不需要過(guò)電壓保護。

 

輸入端的ESD單元仍然能夠提供出色的ESD保護。使用此類(lèi) ESD單元的ADG5412F過(guò)電壓故障保護四通道SPST開(kāi)關(guān)的 HBM ESD額定值可達到5.5 kV。

 

對于IEC ESD (IEC 61000-4-2)、EFT或浪涌保護等更嚴格的情 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.故障保護開(kāi)關(guān)架構。

 

開(kāi)關(guān)的一個(gè)輸入端發(fā)生過(guò)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正常工作，而且對性能的影響極小。幾 乎不用在系統速度/性能和過(guò)電壓保護之間進(jìn)行妥協(xié)。

 

因此，故障保護開(kāi)關(guān)能夠大幅簡(jiǎn)化信號鏈解決方案。很多情 況下都需要使用限流電阻和肖特基二極管，而開(kāi)關(guān)過(guò)電壓保 護消除了這種需要。整體系統性能也不再受通常會(huì )引起信號 鏈漏電和失真的外部分立器件限制。

 

ADI 故障保護開(kāi)關(guān)的特性

 

ADI的故障保護開(kāi)關(guān)新型產(chǎn)品系列采用專(zhuān)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±55 V的過(guò)電壓 保護。這些器件能夠為精密信號鏈使用的故障保護開(kāi)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(zhuān)有高電壓工藝也采用了溝槽隔離技術(shù)。各開(kāi)關(guān)的NDMOS與 PDMOS晶體管之間有一個(gè)絕緣氧化物層。因此，它與結隔離式 開(kāi)關(guān)不同，晶體管之間不存在寄生結，從而抑制了所有情況下 的閂鎖現象。例如，ADG5412F通過(guò)了1秒脈寬±500 mA的 JESD78D閂鎖測試，這是規范中最嚴格的測試。

 

模擬性能

 

新型ADI故障保護開(kāi)關(guān)不僅能夠實(shí)現業(yè)界領(lǐng)先的魯棒性（過(guò) 電壓保護、高ESD額定值、上電時(shí)無(wú)數字輸入控制時(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(kāi)關(guān)的性 能總是要在低導通電阻和低電容/電荷注入之間進(jìn)行權衡。模 擬開(kāi)關(guān)的選擇通常取決于負載是高阻抗還是低阻抗。

 

低阻抗系統

 

低阻抗系統通常采用低導通電阻器件，其中模擬開(kāi)關(guān)的導通 電阻需要保持在最小值。在電等低阻抗系統中—例如源或增 益級—導通電阻和源阻抗與負載處于并聯(lián)狀態(tài)會(huì )引起增益 誤差。雖然許多情況下能夠對增益誤差進(jìn)行校準，但是信號 范圍內或通道之間的導通電阻 (RON) 變化所引起的失真就 無(wú)法通過(guò)校準進(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變化所導致的失真誤差。

 

圖7顯示了一個(gè)新型故障保護開(kāi)關(guān)在信號輸入范圍內的導通 電阻特性。除了能夠實(shí)現極低的導通電阻外，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(zhuān)利技術(shù) 的開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器設計，能夠確保在信號輸入電壓范圍內VGS電 壓保持恒定從而導致平坦的RON性能。權衡就是信號輸入范 圍略有縮小，開(kāi)關(guān)導通性能實(shí)現優(yōu)化，這可從RON圖的形狀 看出。在對RON變化或THD敏感的應用中，這種RON性能可使 系統具有明顯的優(yōu)勢。

 

圖7.故障保護開(kāi)關(guān)導通電阻。

 

ADG5404F是一款新型的具有防閂鎖、過(guò)壓故障保護功能的 多路復用器。與標準器件相比，具有防閂鎖功能和過(guò)電壓保 護功能的器件通常具有更高的導通電阻和更差的導通電阻 平坦度。但是，由于A(yíng)DG5404F設計中采用了恒定VGS方案， RON平坦度實(shí)際上優(yōu)于A(yíng)DG1404（業(yè)界領(lǐng)先的低導通電阻） 和ADG5404（防閂鎖，但沒(méi)有過(guò)電壓保護功能）。在很多應 用中，例如RTD溫度測量，RON平坦度實(shí)際上比導通電阻的 絕對值更重要，因此具有故障保護功能的模擬開(kāi)關(guān)在此類(lèi)系 統中具有提高其產(chǎn)品性能的潛力。

 

低阻抗系統的典型故障模式是在發(fā)生故障時(shí)漏極輸出變成 開(kāi)路。

 

高阻抗系統

 

在高阻抗系統通常采用低漏電流、低電容和低電荷注入開(kāi) 關(guān)。由于多路復用器輸出上的放大器負載，數據采集系統通 常具有高阻抗。

 

1.漏電流是高阻抗電路的主要誤差來(lái)源。任意漏電流都可能 產(chǎn)生顯著(zhù)的測量誤差。

 

2.低電容和低電荷注入也對快速建立至關(guān)重要。這可使數據 采集系統實(shí)現最大的數據吞吐量。

 

新型ADI故障保護開(kāi)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，這對在許多應用中進(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(zhù)，在修復故障前，可繼續對其他 通道進(jìn)行測量，因而系統停機時(shí)間得以縮短。ADG5248F 8:1 多路復用器的過(guò)電壓漏電流如圖8所示。

 

高阻抗系統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(guò)電壓漏電流的溫度特性。

 

故障診斷

 

大部分新型ADI故障保護開(kāi)關(guān)還采用了數字故障引腳。FF引 腳是通用故障標志，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)。

 

這些引腳對在系統中進(jìn)行故障診斷非常有用。FF 引腳首先向 用戶(hù)發(fā)出故障警告。隨后，用戶(hù)可輪詢(xún)數字輸入，然后SF 引腳將報出哪些特定開(kāi)關(guān)或通道處于故障狀態(tài)。

 

系統優(yōu)勢

 

故障保護開(kāi)關(guān)新型產(chǎn)品系列的系統優(yōu)勢如圖9所示。無(wú)論是 在確保精密信號鏈的出色模擬性能方面，還是在系統魯棒性 方面，該產(chǎn)品系列為系統設計人員帶來(lái)的優(yōu)勢都非常巨大。

 

圖9.ADI 故障保護開(kāi)關(guān)—特性和系統優(yōu)勢。

 

與分立保護器件相比，其優(yōu)勢非常明顯，這些優(yōu)勢已在前文 詳細說(shuō)明。專(zhuān)有高電壓工藝和新型開(kāi)關(guān)架構還賦予了ADI故 障保護開(kāi)關(guān)新產(chǎn)品系列多項優(yōu)于同類(lèi)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 上繼續工作（比同類(lèi)解決方案性能好10倍）

3.器件配備副故障電源，可實(shí)現精密故障閾值設定，同時(shí)還 能維持出色的模擬開(kāi)關(guān)性能

4.適合系統故障診斷的智能故障標志

 

應用范例

 

圖10所示的第一個(gè)應用范例是過(guò)程控制信號鏈，其中，微控制 器可監控多個(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(guò)程控制應用中，傳感器可能連接在工 廠(chǎng)中一條非常長(cháng)的電纜上，整條電纜都有可能出現故障。

 

此范例采用的多路復用器是ADG5249F，該器件已針對低電 容和低漏電流進(jìn)行優(yōu)化。對于此類(lèi)小型信號傳感器測量應 用，低漏電流非常重要。

 

模擬開(kāi)關(guān)采用±15 V電源，同時(shí)副故障電源設置為5 V和 GND，能夠保護下游PGA和ADC。

 

主傳感器信號通過(guò)多路復用器傳至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(hù)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)人員對故障進(jìn)行調試，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格，當其中一個(gè)傳感器故 障、正在等待更換時(shí)，其他傳感器可以繼續執行監控功能。 如果沒(méi)有這種低故障漏電流，一條通道發(fā)生故障可能導致所 有其他通道無(wú)法使用，故障被修復后才可重新使用。

 

圖10.過(guò)程控制應用范例。

 

圖11中的第二個(gè)應用范例是數據采集信號鏈的一部分，其 中，ADG5462F通道保護器可增添額外的價(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 號范圍。

 

通道保護器位于PGA 和ADC 之間。采用±15 V 作為主電源， 以獲得出色的導通電阻性能，而其副供電軌則采用0 V 和5 V 電壓。正常工作時(shí)，ADG5462F 允許信號通過(guò)，但會(huì )將PGA 的所有過(guò)電壓輸出箝位至0 V 和5 V 之間，以保護ADC。因 此，與前面的應用范例一樣，目標信號輸入范圍會(huì )在平坦的 RON 工作區域中。

 

圖11.數據采集應用范例。

 

總結

 

用具有過(guò)電壓保護功能的模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器代替傳統 分立保護器件可在精密信號鏈中提供多項系統優(yōu)勢。除了節 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(guò)電壓保護功能的模擬開(kāi)關(guān)和多路復 用器。表1和表2列出了最新的故障保護器件產(chǎn)品系列。這些 產(chǎn)品系列采用專(zhuān)有的高電壓和防閂鎖工藝打造而成，能夠為 精密信號鏈提供業(yè)界領(lǐng)先的性能和特性。

 

產(chǎn)品系列匯總

 

表1.低導通電阻型故障保護開(kāi)關(guān) 產(chǎn)品 配置

 

表2.低電容/低電荷注入型故障保護開(kāi)關(guān)

 

 

推薦閱讀：