用过压故障保护模拟开关代替 分立保护器件
发布时间：2016-5-31 11:24
发布者：eechina
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作者： Paul O'Sullivan 摘要 设计具有鲁棒性的电子电路较为困难，通常会导致具有大量 分立保护器件的设计的相关成本增加、时间延长、空间扩大。 本文将讨论故障保护开关架构，及其与传统分立保护解决方 案相比的性能优势和其他优点。下文讨论了一种新型开关架 构，以及提供业界领先的故障保护性能以及精密信号链所需 性能的专有高电压工艺。ADI的故障保护开关和多路复用器 新型产品系列（ADG52xxF和ADG54xxF）就是采用这种技术。 高性能信号链的模拟输入保护往往令系统设计人员很头痛。 通常，需要在模拟性能（例如漏电阻和导通电阻）和保护水 平（可由分立器件提供）之间进行权衡。 用具有过电压保护功能的模拟开关和多路复用器代替分立 保护器件能够在模拟性能、鲁棒性和解决方案尺寸方面提供 显著的优势。过电压保护器件位于敏感下游电路和受到外部 应力的输入端之间。一个例子是过程控制信号链中的传感器 输入端。 本文详细说明了由过电压事件引起的问题，讨论了传统分立 保护解决方案及其相关缺点，还介绍了过电压保护模拟开关 解决方案的特性和系统优势，最后介绍了ADI业界领先的故 障保护模拟开关产品系列。 过电压问题—回顾基础 如果施加在开关上的输入信号超过电源电压（VDD或VSS）一 个以上二极管压降，则IC内的ESD保护二极管将变成正向偏 置，而且电流将从输入信号端流至电源，如图1所示。这种 电流会损坏元件，如果不加以限制，还可能触发闩锁事件。 
图1.过压电流路径。 如果开关未上电，则可能出现以下几种情形： 如果电源浮动，输入信号可能通过ESD二极管停止向VDD 电轨供电。这种情况下，VDD引脚将处于输入信号的二极 管压降范围内。这意味着能够对开关有效供电，就像使 用相同VDD电轨的其他元件一样。这可能导致信号链中的 器件执行未知且不受控制的操作。 I如果电源接地，PMOS器件将在负VGS下接通，开关将把 削减的信号传至输出端，这可能会损坏同样未上电的下 游器件（参见图2）。注：如果有二极管连接至电源，它 们将发生正向偏置，把信号削减为+0.7 V。 
图2.电源接地时的过电压信号。 分立保护解决方案 设计人员通常采用分立保护器件解决输入保护问题。 通常会利用大的串联电阻限制故障期间的电流，而连接至供 电轨的肖特基或齐纳二极管将箝位任意过电压信号。图3所 示为多路复用信号链中这种保护方案的一个示例。 但是，使用此类分立保护器件存在许多缺点。 串联电阻会延长多路复用器的建立时间并缩短整体建立 时间。 保护二极管会产生额外的漏电流和不断变化的电容，从 而影响测量结果的精度和线性度。 在电源浮动情况时时没有任何保护，因为连接至电源的 ESD二极管不会提供任何箝位保护。 
图3.分立保护解决方案。 传统开关架构 图4为一种传统开关架构的概览。在开关器件（在图4的右侧） 中，ESD二极管连接至开关元件输入和输出端的供电轨。图 中还显示了外部分立保护器件—用于限制电流的串联电阻 和用于实现过电压箝位的肖特基二极管（连接至电源）。在 苛刻环境下，通常还需要利用双向TVS提供额外的保护。 
图4.采用外部分立保护器件的传统开关架构。 故障保护开关架构 故障保护开关架构如图5所示。输入端的ESD二极管用双向 ESD单元代替，输入电压范围不再受连接至供电轨的ESD二 极管限制。因此，输入端的电压可能达到工艺限值（ADI提 供的新型故障保护开关的限值为±55 V）。 大多数情况下，ESD二极管仍然存在于输出端，因为输出端 通常不需要过电压保护。 输入端的ESD单元仍然能够提供出色的ESD保护。使用此类 ESD单元的ADG5412F过电压故障保护四通道SPST开关的 HBM ESD额定值可达到5.5 kV。 对于IEC ESD (IEC 61000-4-2)、EFT或浪涌保护等更严格的情 况，可能仍然需要一个外部TVS或一个小型限流电阻。 
图5.故障保护开关架构。 开关的一个输入端发生过电压状况时，受影响的通道将关 闭，输入将变为高阻态。其他通道上的漏电流仍然很小，因 而其余通道能够继续正常工作，而且对性能的影响极小。几 乎不用在系统速度/性能和过电压保护之间进行妥协。 因此，故障保护开关能够大幅简化信号链解决方案。很多情 况下都需要使用限流电阻和肖特基二极管，而开关过电压保 护消除了这种需要。整体系统性能也不再受通常会引起信号 链漏电和失真的外部分立器件限制。 ADI 故障保护开关的特性 ADI的故障保护开关新型产品系列采用专有高电压工艺打造 而成，能够在上电和未上电状态下提供高达±55 V的过电压 保护。这些器件能够为精密信号链使用的故障保护开关提供 业界领先的性能。 
图6.沟槽隔离工艺。 防闩锁性 专有高电压工艺也采用了沟槽隔离技术。各开关的NDMOS与 PDMOS晶体管之间有一个绝缘氧化物层。因此，它与结隔离式 开关不同，晶体管之间不存在寄生结，从而抑制了所有情况下 的闩锁现象。例如，ADG5412F通过了1秒脉宽±500 mA的 JESD78D闩锁测试，这是规范中最严格的测试。 模拟性能 新型ADI故障保护开关不仅能够实现业界领先的鲁棒性（过 电压保护、高ESD额定值、上电时无数字输入控制时处于已 知状态），而且还具有业界领先的模拟性能。模拟开关的性 能总是要在低导通电阻和低电容/电荷注入之间进行权衡。模 拟开关的选择通常取决于负载是高阻抗还是低阻抗。 低阻抗系统 低阻抗系统通常采用低导通电阻器件，其中模拟开关的导通 电阻需要保持在最小值。在电等低阻抗系统中—例如源或增 益级—导通电阻和源阻抗与负载处于并联状态会引起增益 误差。虽然许多情况下能够对增益误差进行校准，但是信号 范围内或通道之间的导通电阻 (RON) 变化所引起的失真就 无法通过校准进行消除。因此，低阻电路更受制于因RON平 坦度和通道间的RON变化所导致的失真误差。 图7显示了一个新型故障保护开关在信号输入范围内的导通 电阻特性。除了能够实现极低的导通电阻外，RON平坦度和 通道之间的一致性也非常出色。这些器件采用具有专利技术 的开关驱动器设计，能够确保在信号输入电压范围内VGS电 压保持恒定从而导致平坦的RON性能。权衡就是信号输入范 围略有缩小，开关导通性能实现优化，这可从RON图的形状 看出。在对RON变化或THD敏感的应用中，这种RON性能可使 系统具有明显的优势。 
图7.故障保护开关导通电阻。 ADG5404F是一款新型的具有防闩锁、过压故障保护功能的 多路复用器。与标准器件相比，具有防闩锁功能和过电压保 护功能的器件通常具有更高的导通电阻和更差的导通电阻 平坦度。但是，由于ADG5404F设计中采用了恒定VGS方案， RON平坦度实际上优于ADG1404（业界领先的低导通电阻） 和ADG5404（防闩锁，但没有过电压保护功能）。在很多应 用中，例如RTD温度测量，RON平坦度实际上比导通电阻的 绝对值更重要，因此具有故障保护功能的模拟开关在此类系 统中具有提高其产品性能的潜力。 低阻抗系统的典型故障模式是在发生故障时漏极输出变成 开路。 高阻抗系统 在高阻抗系统通常采用低漏电流、低电容和低电荷注入开 关。由于多路复用器输出上的放大器负载，数据采集系统通 常具有高阻抗。 漏电流是高阻抗电路的主要误差来源。任意漏电流都可能 产生显著的测量误差。 低电容和低电荷注入也对快速建立至关重要。这可使数据 采集系统实现最大的数据吞吐量。 新型ADI故障保护开关的漏电性能非常出色。正常工作时， 漏电流处于低nA范围内，这对在许多应用中进行精确测量至 关重要。 最重要的是，即使其中一条输入通道处于故障状态，防漏性 能依然十分出色。这意味着，在修复故障前，可继续对其他 通道进行测量，因而系统停机时间得以缩短。ADG5248F 8:1 多路复用器的过电压漏电流如图8所示。 高阻抗系统的典型故障模式是在发生故障时使漏极输出拉 至供电轨。 
图8.ADG5248F 过电压漏电流的温度特性。 故障诊断 大部分新型ADI故障保护开关还采用了数字故障引脚。FF引 脚是通用故障标志，表示其中一条输入通道处于故障状态。 特殊故障引脚（或SF引脚）可用于诊断哪一路特定输入处于 故障状态。 这些引脚对在系统中进行故障诊断非常有用。FF 引脚首先向 用户发出故障警告。随后，用户可轮询数字输入，然后SF 引脚将报出哪些特定开关或通道处于故障状态。 系统优势 故障保护开关新型产品系列的系统优势如图9所示。无论是 在确保精密信号链的出色模拟性能方面，还是在系统鲁棒性 方面，该产品系列为系统设计人员带来的优势都非常巨大。 
图9.ADI 故障保护开关—特性和系统优势。 与分立保护器件相比，其优势非常明显，这些优势已在前文 详细说明。专有高电压工艺和新型开关架构还赋予了ADI故 障保护开关新产品系列多项优于同类解决方案的优势。 业界领先的RON平坦度，非常适合精密测量 业界领先的故障漏电流，能够在未受故障影响的其他通道 上继续工作（比同类解决方案性能好10倍） 器件配备副故障电源，可实现精密故障阈值设定，同时还 能维持出色的模拟开关性能 适合系统故障诊断的智能故障标志 应用范例 图10所示的第一个应用范例是过程控制信号链，其中，微控制 器可监控多个传感器，例如RTD或热电偶温度传感器、压力传 感器和湿度传感器。在过程控制应用中，传感器可能连接在工 厂中一条非常长的电缆上，整条电缆都有可能出现故障。 此范例采用的多路复用器是ADG5249F，该器件已针对低电 容和低漏电流进行优化。对于此类小型信号传感器测量应 用，低漏电流非常重要。 模拟开关采用±15 V电源，同时副故障电源设置为5 V和 GND，能够保护下游PGA和ADC。 主传感器信号通过多路复用器传至PGA和ADC，而故障诊断 信息则直接发送至微控制器，用于在发生故障时提供中断功 能。因此，用户可收到故障状况的警告，并确定哪些传感器 发生故障。然后便可派出技术人员对故障进行调试，必要时 可更换发生故障的传感器或电缆。 得益于业界领先的低故障漏电流规格，当其中一个传感器故 障、正在等待更换时，其他传感器可以继续执行监控功能。 如果没有这种低故障漏电流，一条通道发生故障可能导致所 有其他通道无法使用，故障被修复后才可重新使用。 
图10.过程控制应用范例。 图11中的第二个应用范例是数据采集信号链的一部分，其 中，ADG5462F通道保护器可增添额外的价值。在此范例中， PGA采用±15 V供电，而下游ADC则具有0 V至5 V的输入信 号范围。 通道保护器位于PGA 和ADC 之间。采用±15 V 作为主电源， 以获得出色的导通电阻性能，而其副供电轨则采用0 V 和5 V 电压。正常工作时，ADG5462F 允许信号通过，但会将PGA 的所有过电压输出箝位至0 V 和5 V 之间，以保护ADC。因 此，与前面的应用范例一样，目标信号输入范围会在平坦的 RON 工作区域中。 
图11.数据采集应用范例。 总结 用具有过电压保护功能的模拟开关和多路复用器代替传统 分立保护器件可在精密信号链中提供多项系统优势。除了节 省电路板空间外，代替分立器件的性能优势也非常明显。 ADI公司提供多种具有过电压保护功能的模拟开关和多路复 用器。表1和表2列出了最新的故障保护器件产品系列。这些 产品系列采用专有的高电压和防闩锁工艺打造而成，能够为 精密信号链提供业界领先的性能和特性。 产品系列汇总 表1.低导通电阻型故障保护开关 产品 配置
表2.低电容/低电荷注入型故障保护开关
作者 Paul O'Sullivan [paul.osullivan@analog.com] 是位于爱尔兰利默里克的ADI 线性与精密技术业务部门 的一位应用工程师。他现在负责为开关/多路复用器产品系列提供支持，之 前他负责为ADI 的电源管理产品系列提供支持。他于2004 年加入ADI 公 司，拥有科克大学的电气与电子工程学士学位和利默里克大学的工程硕士 学位。 |
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