設(shè)計具有魯棒性的電子電路較為困難，通常會導(dǎo)致具有大量 分立保護器件的設(shè)計的相關(guān)成本增加、時間延長、空間擴大。 本文將討論故障保護開關(guān)架構(gòu)，及其與傳統(tǒng)分立保護解決方 案相比的性能優(yōu)勢和其他優(yōu)點。下文討論了一種新型開關(guān)架 構(gòu)，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 性能的專有高電壓工藝。ADI的故障保護開關(guān)和多路復(fù)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(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)界領(lǐng)先的故 障保護模擬開關(guān)產(chǎn)品系列。

過電壓問題—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(nèi)。這意味著能夠?qū)﹂_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(dǎo)致信號鏈中的 器件執(zhí)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5.5 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±55 V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)界領(lǐng)先的性能。

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±500 mA的 JESD78D閂鎖測試，這是規(guī)范中最嚴格的測試。

模擬性能

新型ADI故障保護開關(guān)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的魯棒性（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)界領(lǐng)先的模擬性能。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)界領(lǐng)先的低導(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。ADG5248F 8:1 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)界領(lǐng)先的RON平坦度，非常適合精密測量

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(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±15 V電源，同時副故障電源設(shè)置為5 V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)界領(lǐng)先的低故障漏電流規(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±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(dǎo)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，ADG5462F 允許信號通過，但會將PGA 的所有過電壓輸出箝位至0 V 和5 V 之間，以保護ADC。因 此，與前面的應(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。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