用過(guò)壓故障保護模擬開(kāi)關(guān)代替 分立保護器件

摘要

設計具有魯棒性的電子電路較為困難，通常會(huì )導致具有大量 分立保護器件的設計的相關(guān)成本增加、時(shí)間延長(cháng)、空間擴大。 本文將討論故障保護開(kāi)關(guān)架構，及其與傳統分立保護解決方 案相比的性能優(yōu)勢和其他優(yōu)點(diǎn)。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：

如果電源浮動(dòng)，輸入信號可能通過(guò)ESD二極管停止向VDD 電軌供電。這種情況下，VDD引腳將處于輸入信號的二極 管壓降范圍內。這意味著(zhù)能夠對開(kāi)關(guān)有效供電，就像使 用相同VDD電軌的其他元件一樣。這可能導致信號鏈中的 器件執行未知且不受控制的操作。

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)。

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。

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。

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。