低電壓故障保護
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在現有設計中，大多數系統工作于標準電源電壓(單極性3.3v或5v，或雙極性±3.3v或±5v)，這個(gè)電壓通常也是板上的最高電壓。在實(shí)際使用中，電路板的輸入端子可能會(huì )暴露于比電源電壓更高的電壓之下，同時(shí)，電路板電源被切斷后，輸入端子上的電壓有可能仍然存在。受這種過(guò)壓影響的第一個(gè)元件常常是多路復用器或開(kāi)關(guān)，這就要求為開(kāi)關(guān)元件和下游電路提供適當的保護。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/21360.htm模擬開(kāi)關(guān)內的通道元件通常包括一個(gè)或更多的mosfet，同時(shí)還包含有寄生鉗位二極管(鉗位至電源電壓)，用于esd保護。圖1顯示了一個(gè)閉合的模擬開(kāi)關(guān)的等效電路圖。只要v+和v-存在，并且輸入電壓不超過(guò)：電源電壓 + 鉗位二極管的正向偏壓(典型0.6v)，二極管就處于反向偏置，沒(méi)有電流通過(guò)。
圖1. 閉合開(kāi)關(guān)的等效電路 不正確的電源順序會(huì )導致過(guò)壓故障，許多開(kāi)關(guān)要求首先接通最大的“正”電壓，最后才是最低的“負”電壓。應當注意的是，當電源關(guān)斷時(shí)有輸入電壓或輸入電壓超出了電源電壓時(shí)，都會(huì )有電流流過(guò)鉗位二極管。這些二極管僅有數毫瓦的功率容量(取決于ic的半導體工藝)，當因功率耗散而產(chǎn)生的熱量超過(guò)一定容限時(shí)將會(huì )永久性地損壞開(kāi)關(guān)。
更低一些的電流還可能會(huì )導致鎖定 - 一種導致開(kāi)關(guān)功能失效、并從電源吸取過(guò)量電流的故障狀態(tài)。大多數情況下你只需移去開(kāi)關(guān)上的所有電壓便可消除鎖定，而不會(huì )損壞開(kāi)關(guān)，但在此之前整個(gè)電路板將不能正常工作。
外部保護
防止模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)入鎖定狀態(tài)的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是增加一個(gè)大電流肖特基二極管(圖2)，這個(gè)二極管具有較低的正向偏壓(最大0.3v)。如果輸入電壓超過(guò)了電源電壓，肖特基的低偏壓可保證沒(méi)有電流流過(guò)鉗位二極管，因為后者的典型正向偏壓為0.6v。
圖2. 利用外部肖特基二極管防止閉鎖 不過(guò)，這種無(wú)鎖定電路仍然存在有缺陷，不僅僅是因為兩只保護二極管所帶來(lái)的額外成本。肖特基二極管會(huì )讓超過(guò)電源電壓0.3v以上的任何電壓通過(guò)。對于連接到v+、v-的器件，在電源沒(méi)有接通(v+和v-位于地電平)并且輸入電壓始終低于電源線(xiàn)上連接的每個(gè)器件的極限值時(shí)不存在問(wèn)題。
但是，這個(gè)電路并不能提供過(guò)壓保護。舉例來(lái)講，如果v+ = 5v，開(kāi)關(guān)輸入端的故障電壓為8v，這時(shí)v+就會(huì )被上拉到接近7.7v - 這對于v+上連接的大多數數字器件來(lái)講過(guò)高。即使當v+上只有開(kāi)關(guān)本身，并且開(kāi)關(guān)能夠承受這樣的故障電壓，這樣的高電壓還是會(huì )通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)危及到下游器件。此外，具有多路輸入的開(kāi)關(guān)需要在每個(gè)輸入端連接一個(gè)肖特基二極管到v+，這樣會(huì )增加很多成本和板上空間。
圖3電路提供了一個(gè)比較好的過(guò)壓保護方案，適合于那些在開(kāi)關(guān)未接通電源之前永遠不會(huì )有輸入電壓的應用。一個(gè)常規的硅二極管的正向偏壓vd一般為0.7v，這樣在選擇齊納管擊穿電壓vz1時(shí)必須滿(mǎn)足vd + vz1 < v+。對于負向保護和vz2也是一樣：|d + vz2| < |v-|。二極管(齊納管和標準硅二極管)的最高額定電壓必須按照可能的最高故障電壓來(lái)選。
圖3. 利用外部二極管提供過(guò)壓保護 對于一個(gè)持續的過(guò)壓故障(而非毛刺)，須在地和齊納二極管之間連接一個(gè)電阻來(lái)限制通過(guò)二極管的電流。這種保護的最大缺點(diǎn)是限制了開(kāi)關(guān)的輸入電壓范圍。由于二極管的偏壓有很大差異，二極管網(wǎng)絡(luò )的最小/最大限也會(huì )有很大的差異。如果按最差的極限情況來(lái)設計網(wǎng)絡(luò )，就有可能在電壓比電源電壓還低很多的情況下二極管就開(kāi)始導通，這樣就使開(kāi)關(guān)喪失了滿(mǎn)擺幅特性。
通過(guò)在輸入通道中串聯(lián)電阻(k級)來(lái)限制流過(guò)開(kāi)關(guān)中鉗位二極管的電流也可以起到某種程度的保護。不過(guò)，過(guò)電壓仍然可能威脅到開(kāi)關(guān)下游的器件。串聯(lián)電阻顯著(zhù)增加了開(kāi)管導通時(shí)的通道電阻。這個(gè)電阻隨著(zhù)溫度的改變會(huì )給信號帶來(lái)誤差，因為來(lái)自于開(kāi)關(guān)的泄漏電流會(huì )流過(guò)這個(gè)增大了的導通電阻。
內部保護
在模擬開(kāi)關(guān)內部集成故障保護的方法首先被用于某種類(lèi)型的多路復用器，它的通道元件包含三個(gè)串聯(lián)的mosfet，依次為n溝道p溝道n溝道。這種結構可以為每個(gè)信號通道提供±100v的保護(圖4)。隨著(zhù)輸入電壓接近并超過(guò)電源電壓，復用器的導通電阻迅速增大，限制了輸入電流，保護了復用器(以及復用器前后的器件)。對于故障電流的限制同時(shí)也阻斷了故障向其他通道的耦合。
圖4. 早期故障保護開(kāi)關(guān)的導通電阻隨信號電壓的變化 串聯(lián)mosfet的方法也可在無(wú)電源的情況下提供保護。早期的器件，如max388或hi509a，只工作在±4.5v至±18v，有著(zhù)較大的封裝、較高的導通電阻(最小350，最高可至3.5k)，并且只能通過(guò)比電源電壓低大約2v的輸入信號電壓。
對于工作在9v至36v或±4.5至±20v范圍的器件，解決這些問(wèn)題的第一步就是開(kāi)發(fā)一種新的開(kāi)關(guān)結構，類(lèi)似于下面即將談到的低電壓故障保護方案。較之三fet串聯(lián)技術(shù)，新方案最突出的優(yōu)點(diǎn)是允許滿(mǎn)擺幅工作和更低的導通電阻。內部電路檢測到故障時(shí)自動(dòng)切斷開(kāi)關(guān)，阻止故障穿過(guò)開(kāi)關(guān)或復用器到達其他電路。
故障狀態(tài)下，由于只有很小的漏電流流入開(kāi)關(guān)或復用器，開(kāi)關(guān)不會(huì )因功率耗散而損壞。和早期的3-fet方案相同，基于這種新的工藝和結構的開(kāi)關(guān)/復用器會(huì )在斷電情況下返回高阻抗狀態(tài)，因而消除了斷電情況下的故障問(wèn)題。這種器件(包括max4511開(kāi)關(guān)和max4508復用器系列)適合于需要±40v故障保護的高電壓系統，但不適合于常見(jiàn)的3v和5v系統。這些器件在低電壓范圍內沒(méi)有規定特性，它們在5v電源下的rds(on)會(huì )高達數千歐。
低電壓故障保護
故障保護開(kāi)關(guān)家族中的最新成員被優(yōu)化工作于單極性3.3v或5v電源，或者是雙極性(±3.3v或±5v電源。它們不需要外部保護，具有最多30
(±5v電源)或100 (+3v電源)的低導通電阻。
如圖5所示，這些開(kāi)關(guān)由一個(gè)n溝道fet (n1)和一個(gè)p溝道fet (p1)并聯(lián)構成低阻抗輸入到輸出信號通道。只要輸入信號位于電源范圍以?xún)?，或不超出電?50mv，就可通過(guò)開(kāi)關(guān)到達com端，因此允許開(kāi)關(guān)滿(mǎn)擺幅工作。
圖5. 低電壓故障保護開(kāi)關(guān)的內部框圖 開(kāi)關(guān)內部的兩個(gè)比較器用于監視輸入電壓，它們將輸入電壓與電源電壓v+和v-進(jìn)行比較。當no (常開(kāi))端或nc (常閉)端上的信號位于v+和v-之間時(shí)，開(kāi)關(guān)正常工作。當信號電壓超出電源約150mv時(shí)(故障情況)，輸出電壓(com)被限制在電源電壓 - 保持相同極性且輸入為高阻。這是在故障比較器的控制下實(shí)現的，它在故障情況下關(guān)閉了n1和p1。故障比較器同時(shí)還按照以下規則控制鉗位fet (n2和p2)：如果開(kāi)關(guān)閉合時(shí)出現了負極性故障，接通n2連接com到v-。如果開(kāi)關(guān)閉合時(shí)出現了正極性故障，則接通p2連接com到v+。如果開(kāi)關(guān)開(kāi)路時(shí)出現了故障，則輸出呈現高阻。
故障期間，輸入始終呈現為高阻，與開(kāi)關(guān)狀態(tài)及負載阻抗無(wú)關(guān)。最高輸入故障電壓受限于開(kāi)關(guān)元件的極限值，max4711系列為±12v。舉例來(lái)講，如果max4711工作于5v電源，則在正端可承受的最高故障電壓為+12v，而在負端為-7v (5v + |-7v| = 12v)。該器件能夠在沒(méi)有電源電壓的情況下為輸入引腳(no和nc)提供故障保護，甚至斷電時(shí)提供更可靠的保護，在此情況下，故障電壓可接近±12v。
邏輯輸入端(in)的過(guò)壓保護正向最高達(v+)+12v，但負向僅能超出負電源一個(gè)二極管壓降。輸出端(com)沒(méi)有保護，正如上面所提到的，com電壓不應超出任何一端電源電壓0.3v以上。
圖6顯示了一個(gè)閉合的、具有故障保護的開(kāi)關(guān)在經(jīng)歷兩個(gè)方向的輸入故障電壓期間的輸出情況。通常情況下，在輸入電壓比v+ (或v-)高出150mv約200ns后，輸出(com)就會(huì )等于正(或負)電源電壓減去一個(gè)fet的電壓降。當輸入電壓返回到電源范圍以?xún)群?，需要再?jīng)過(guò)一個(gè)700ns (典型值)的延遲，輸出方可恢復并跟隨輸入。這個(gè)延遲和com輸出端的電阻和電容有關(guān)，而和故障電壓的幅度無(wú)關(guān)。com端的電阻和電容越大，恢復時(shí)間就越長(cháng)。
圖6. 故障狀態(tài)下的輸入和輸出電壓 應用
除了一些典型應用以外，例如在ate和工業(yè)設備中作為模擬輸入的保護，這些低電壓、故障保護型開(kāi)關(guān)還可以在很多其他應用中用來(lái)簡(jiǎn)化設計和解決板上空間不足的問(wèn)題。
舉例來(lái)講，為了避免切斷整個(gè)設備機箱的電源，許多應用要求能夠向一個(gè)帶電的底板插入擴展卡。盡管可以用max4271這樣的熱插拔控制器來(lái)限制卡上的浪涌電流，但其信號線(xiàn)的保護并不容易。當你將板卡插入底板時(shí)，底板的數據總線(xiàn)采用5v ttl電平進(jìn)行通信，這時(shí)卡上的數字ic(微控制器，asic等)就有可能在5v電源接通前在其輸入端“看到”5v電壓。前面已經(jīng)提到，這種情況會(huì )導致鎖定或板卡損壞。
將低電壓故障保護開(kāi)關(guān)連接在敏感器件和底板之間(圖7)可以提供必要的過(guò)壓保護。這些開(kāi)關(guān)在卡上電源電壓接通之前保持com輸出為高阻態(tài)，電源就緒后開(kāi)關(guān)閉合接通底板。開(kāi)關(guān)的保護輸入(no)面向底板，未接電源時(shí)提供±12v的保護，而在電源電壓穩定后也可保護板卡不受底板上的過(guò)電壓沖擊。應該注意的是，通常所用的來(lái)自于其他供應商的邏輯總線(xiàn)開(kāi)關(guān)并不能提供這種保護。它們可以提供比標準cmos器件高一些的鎖定電流容限，但不能承受持續的過(guò)電壓。
圖7. 熱插拔背板信號 在圖8所示電路中，低電壓故障保護開(kāi)關(guān)在檢測到有外部電源(如墻上適配器)接入時(shí)，會(huì )切斷內部電源(一節9v電池或兩節串連的鋰電池)。通常情況下，開(kāi)關(guān)由電池通過(guò)13引腳供電。低電壓肖特基二極管阻止非充電電池被外部電源充電。
圖8. 當有外部電源接入時(shí)電池被切斷 vcc由第10引腳的開(kāi)關(guān)取出，大多數應用中，這個(gè)電壓還要由后面的電壓調節器進(jìn)行調理。一旦檢測到外部電源電壓，微控制器接通開(kāi)關(guān)1和4，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)3。輸出電容c在vcc由開(kāi)關(guān)3切向開(kāi)關(guān)4的過(guò)程中為系統提供電源。為了保護電池，當開(kāi)關(guān)4閉合時(shí)，必須始終保持開(kāi)關(guān)3處于斷開(kāi)狀態(tài)。外部電源移走后，開(kāi)關(guān)4和1斷開(kāi)而開(kāi)關(guān)3閉合。當外部電源電壓高于電池電壓，或電池已深度放電時(shí)接入外部電源，或c已充電而電池被移走時(shí)，故障保護特性可以保證開(kāi)關(guān)正確、安全地工作。
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