簡述故障保護開關架構及其與傳統(tǒng)分立保護解決方案

設計具有魯棒性的電子電路較為困難，通常會導致具有大量分立保護器件的設計的相關成本增加、時間延長、空間擴大。本文將討論故障保護開關架構，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架構，以及提供業(yè)界領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的故障保護開關和多路復用器新型產品系列（ADG52xxF和ADG54xxF）就是采用這種技術。

高性能信號鏈的模擬輸入保護往往令系統(tǒng)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）之間進行權衡。

用具有過電壓保護功能的模擬開關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缺點，還介紹了過電壓保護模擬開關解決方案的特性和系統(tǒng)優(yōu)勢，最后介紹了ADI業(yè)界領先的故障保護模擬開關產品系列。

過電壓問題—回顧基礎

如果施加在開關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。這意味著能夠對開關有效供電，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(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)電阻會延長多路復用器的建立時間并縮短整體建立時間。

保護二極管會產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)開關架構

圖4為一種傳統(tǒng)開關架構的概覽。在開關器件（在圖4的右側）中，ESD二極管連接至開關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)開關架構

故障保護開關架構

故障保護開關架構如圖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關的限值為±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.故障保護開關架構

開關的一個輸入端發(fā)生過電壓狀況時，受影響的通道將關閉，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 故障保護開關的特性

ADI的故障保護開關新型產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使用的故障保護開關提供業(yè)界領先的性能。

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。各開關的NDMOS與 PDMOS晶體管之間有一個絕緣氧化物層。因此，它與結隔離式開關不同，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(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故障保護開關不僅能夠實現(xiàn)業(yè)界領先的魯棒性（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)界領先的模擬性能。模擬開關的性能總是要在低導通電阻和低電容/電荷注入之間進行權衡。模擬開關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)通常采用低導通電阻器件，其中模擬開關的導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對增益誤差進行校準，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法通過校準進行消除。因此，低阻電路更受制于因RON平坦度和通道間的RON變化所導致的失真誤差。

圖7顯示了一個新型故障保護開關在信號輸入范圍內的導通電阻特性。除了能夠實現(xiàn)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利技術的開關驅動器設計，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，開關導通性能實現(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.故障保護開關導通電阻

ADG5404F是一款新型的具有防閂鎖、過壓故障保護功能的多路復用器。與標準器件相比，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通電阻和更差的導通電阻平坦度。但是，由于ADG5404F設計中采用了恒定VGS方案， RON平坦度實際上優(yōu)于ADG1404（業(yè)界領先的低導通電阻）和ADG5404（防閂鎖，但沒有過電壓保護功能）。在很多應用中，例如RTD溫度測量，RON平坦度實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關在此類系統(tǒng)中具有提高其產品性能的潛力。

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。由于多路復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故障保護開關的漏電性能非常出色。正常工作時，漏電流處于低nA范圍內，這對在許多應用中進行精確測量至關重要。

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故障保護開關還采用了數(shù)字故障引腳。FF引腳是通用故障標志，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或通道處于故障狀態(tài)。

系統(tǒng)優(yōu)勢

故障保護開關新型產品系列的系統(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，該產品系列為系統(tǒng)設計人員帶來的優(yōu)勢都非常巨大。

圖9.ADI 故障保護開關—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架構還賦予了ADI故障保護開關新產品系列多項優(yōu)于同類解決方案的優(yōu)勢。

業(yè)界領先的RON平坦度，非常適合精密測量

業(yè)界領先的故障漏電流，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)精密故障閾值設定，同時還能維持出色的模擬開關性能

適合系統(tǒng)故障診斷的智能故障標志

應用范例

圖10所示的第一個應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用，低漏電流非常重要。

模擬開關采用±15 V電源，同時副故障電源設置為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。然后便可派出技術人員對故障進行調試，必要時可更換發(fā)生故障的傳感器或電纜。

得益于業(yè)界領先的低故障漏電流規(guī)格，當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)生故障可能導致所有其他通道無法使用，故障被修復后才可重新使用。

圖10.過程控制應用范例

圖11中的第二個應用范例是數(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，與前面的應用范例一樣，目標信號輸入范圍會在平坦的 RON 工作區(qū)域中。