高性能信號鏈的模擬輸入保護往往令系統(tǒng)設(shè)計人員很頭痛。通常，需要在模擬性能(例如漏電阻和導(dǎo)通電阻)和保護水平(可由分立器件提供)之間進行權(quán)衡。
用具有過電壓保護功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)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的優(yōu)勢。過電壓保護器件位于敏感下游電路和受到外部應(yīng)力的輸入端之間。一個例子是過程控制信號鏈中的傳感器輸入端。
本文詳細說明了由過電壓事件引起的問題，討論了傳統(tǒng)分立保護解決方案及其相關(guān)缺點，還介紹了過電壓保護模擬開關(guān)解決方案的特性和系統(tǒng)優(yōu)勢，最后介紹了ADI業(yè)界先進的故障保護模擬開關(guān)產(chǎn)品系列。
過電壓問題一回顧基礎(chǔ)
如果施加在開關(guān)上的輸入信號超過電源電壓(VDD或VSS)一個以上二極管壓降，則IC內(nèi)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，輸入信號可能通過ESD二極管向上對VDD供電軌供電。這種情況下，VDD電平會處于輸入信號電壓減去一個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)將把削減的信號傳至輸出端，這可能會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，把信號削減為+0.7 V。
圖2.電源接地時的過電壓信號。
分立保護解決方案
設(shè)計人員通常采用分立保護器件解決輸入保護問題。
通常會利用大的串聯(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。圖3所示為多路復(fù)用信號鏈中這種保護方案的一個示例。
但是，使用此類分立保護器件存在許多缺點。
串聯(lián)電阻會延長多路復(fù)用器的建立時間并縮短整體建立時間。
保護二極管會產(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。
在電源浮動情況時時沒有任何保護，因為連接至電源的ESD二極管不會提供任何箝位保護。
圖3.分立保護解決方案。
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器件—用于限制電流的串聯(lián)電阻和用于實現(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。
圖4.采用外部分立保護器件的傳統(tǒng)開關(guān)架構(gòu)。
故障保護開關(guān)架構(gòu)
故障保護開關(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到工藝限值(ADI提供的新型故障保護開關(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，因為輸出端通常不需要過電壓保護。
輸入端的ESD單元仍然能夠提供出色的ESD保護。使用此類ESD單元的ADG5412F過電壓故障保護四通道SPST開關(guān)的HBM ESD額定值可達到5.5kV。
ADG5412F產(chǎn)品詳情
過壓保護最高可達
?55 V and + 55 V
關(guān)斷保護可達?55 V和+55 V
源極引腳有過壓保護
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
對于IEC ESD(IEC 61000-4-2)、EFT或浪涌保護等更嚴(yán)格的情況，可能仍然需要一個外部TVS或一個小型限流電阻。
圖5.故障保護開關(guān)架構(gòu)。
開關(guān)的一個輸入端發(fā)生過電壓狀況時，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/性能和過電壓保護之間進行妥協(xié)。
因此，故障保護開關(guān)能夠大幅簡化信號鏈解決方案。很多情況下都需要使用限流電阻和肖特基二極管，而開關(guān)過電壓保護消除了這種需要。整體系統(tǒng)性能也不再受通常會引起信號鏈漏電和失真的外部分立器件限制。
ADI故障保護開關(guān)的特性
ADI的故障保護開關(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±55V的過電壓保護。這些器件能夠為精密信號鏈?zhǔn)褂玫墓收媳Ｗo開關(guān)提供業(yè)界先進的性能。
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故障保護開關(guān)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)界先進的魯棒性(過電壓保護、高ESD額定值、上電時無數(shù)字輸入控制時處于已知狀態(tài))，而且還具有業(yè)界先進的模擬性能。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—導(dǎo)通電阻和源阻抗與負(fù)載處于并聯(lián)狀態(tài)會引起增益誤差。雖然許多情況下能夠?qū)υ鲆嬲`差進行校準(zhǔn)，但是信號范圍內(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顯示了一個新型故障保護開關(guān)在信號輸入范圍內(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)動器設(shè)計，能夠確保在信號輸入電壓范圍內(nèi)VGS電壓保持恒定從而導(dǎo)致平坦的RON性能。權(quán)衡就是信號輸入范圍略有縮小，開關(guān)導(dǎo)通性能實現(xiàn)優(yōu)化，這可從RON圖的形狀看出。在對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)計中采用了恒定VGS方案， RON平坦度實際上優(yōu)于ADG1404(業(yè)界先進的低導(dǎo)通電阻)和ADG5404(防閂鎖，但沒有過電壓保護功能)。在很多應(yīng)用中，例如RTD溫度測量，RON平坦度實際上比導(dǎo)通電阻的絕對值更重要，因此具有故障保護功能的模擬開關(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)生顯著的測量誤差。
低電容和低電荷注入也對快速建立至關(guān)重要。這可使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)最大的數(shù)據(jù)吞吐量。
新型ADI故障保護開關(guān)的漏電性能非常出色。正常工作時，漏電流處于低nA范圍內(nèi)，這對在許多應(yīng)用中進行精確測量至關(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)對其他通道進行測量，因而系統(tǒng)停機時間得以縮短。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)。
這些引腳對在系統(tǒng)中進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)計人員帶來的優(yōu)勢都非常巨大。
圖9.ADI 故障保護開關(guān)—特性和系統(tǒng)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故障保護開關(guān)新產(chǎn)品系列多項優(yōu)于同類解決方案的優(yōu)勢。
業(yè)界先進的RON平坦度，非常適合精密測量
業(yè)界先進的故障漏電流，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，可實現(xiàn)精密故障閾值設(shè)定，同時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所示的第一個應(yīng)用范例是過程控制信號鏈，其中，微控制器可監(jiān)控多個傳感器，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，該器件已針對低電容和低漏電流進行優(yōu)化。對于此類小型信號傳感器測量應(yīng)用，低漏電流非常重要。
模擬開關(guān)采用±15V電源，同時副故障電源設(shè)置為5V和GND，能夠保護下游PGA和ADC。
主傳感器信號通過多路復(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)人員對故障進行調(diào)試，必要時可更換發(fā)生故障的傳感器或電纜。
得益于業(yè)界先進的低故障漏電流規(guī)格，當(dāng)其中一個傳感器故障、正在等待更換時，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中的第二個應(yīng)用范例是數(shù)據(jù)采集信號鏈的一部分，其中，ADG5462F通道保護器可增添額外的價值。在此范例中，PGA采用±15V供電，而下游ADC則具有0V至5V的輸入信號范圍。
通道保護器位于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，ADG5462F允許信號通過，但會將PGA的所有過電壓輸出箝位至0V和5V之間，以保護ADC。因此，與前面的應(yīng)用范例一樣，目標(biāo)信號輸入范圍會在平坦的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)分立保護器件可在精密信號鏈中提供多項系統(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，能夠為精密信號鏈提供業(yè)界先進的性能和特性。