一文教你如何用过压故障保护模拟开关代替分立保护器件

Allevi

一文教你如何用过压故障保护模拟开关代替分立保护器件

摘要
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设计具有鲁棒性的电子电路较为困难，通常会导致具有大量 分立保护器件的设计的相关成本增加、时间延长、空间扩大。 本文将讨论故障保护开关架构，及其与传统分立保护解决方 案相比的性能优势和其他优点。下文讨论了一种新型开关架 构，以及提供业界领先的故障保护性能以及精密信号链所需 性能的专有高电压工艺。ADI的故障保护开关和多路复用器 新型产品系列（ADG52xxF和ADG54xxF）就是采用这种技术。

高性能信号链的模拟输入保护往往令系统设计人员很头痛。 通常，需要在模拟性能（例如漏电阻和导通电阻）和保护水 平（可由分立器件提供）之间进行权衡。

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用具有过电压保护功能的模拟开关和多路复用器代替分立 保护器件能够在模拟性能、鲁棒性和解决方案尺寸方面提供 显著的优势。过电压保护器件位于敏感下游电路和受到外部 应力的输入端之间。一个例子是过程控制信号链中的传感器 输入端。

本文详细说明了由过电压事件引起的问题，讨论了传统分立 保护解决方案及其相关缺点，还介绍了过电压保护模拟开关 解决方案的特性和系统优势，最后介绍了ADI业界领先的故 障保护模拟开关产品系列。

3 Q2 M0 b* P+ n2 K% I! _  Y过电压问题—回顾基础
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如果施加在开关上的输入信号超过电源电压（VDD或VSS）一 个以上二极管压降，则IC内的ESD保护二极管将变成正向偏 置，而且电流将从输入信号端流至电源，如图1所示。这种 电流会损坏元件，如果不加以限制，还可能触发闩锁事件。

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图1.过压电流路径。

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如果开关未上电，则可能出现以下几种情形：

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• 如果电源浮动，输入信号可能通过ESD二极管向上对VDD供电轨供电。这种情况下，VDD电平会处于输入信号电压减去一个正向二极管压降的范围内。
• I如果电源接地，PMOS器件将在负VGS下接通，开关将把 削减的信号传至输出端，这可能会损坏同样未上电的下 游器件（参见图2）。注：如果有二极管连接至电源，它 们将发生正向偏置，把信号削减为+0.7 V。
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图2.电源接地时的过电压信号。分立保护解决方案

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设计人员通常采用分立保护器件解决输入保护问题。

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通常会利用大的串联电阻限制故障期间的电流，而连接至供 电轨的肖特基或齐纳二极管将箝位任意过电压信号。图3所 示为多路复用信号链中这种保护方案的一个示例。

但是，使用此类分立保护器件存在许多缺点。

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• 串联电阻会延长多路复用器的建立时间并缩短整体建立 时间。
• 保护二极管会产生额外的漏电流和不断变化的电容，从 而影响测量结果的精度和线性度。
• 在电源浮动情况时时没有任何保护，因为连接至电源的 ESD二极管不会提供任何箝位保护。
  

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图3.分立保护解决方案。传统开关架构

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图4为一种传统开关架构的概览。在开关器件（在图4的右侧） 中，ESD二极管连接至开关元件输入和输出端的供电轨。图 中还显示了外部分立保护器件—用于限制电流的串联电阻 和用于实现过电压箝位的肖特基二极管（连接至电源）。在 苛刻环境下，通常还需要利用双向TVS提供额外的保护。

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图4.采用外部分立保护器件的传统开关架构。故障保护开关架构

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故障保护开关架构如图5所示。输入端的ESD二极管用双向 ESD单元代替，输入电压范围不再受连接至供电轨的ESD二 极管限制。因此，输入端的电压可能达到工艺限值（ADI提 供的新型故障保护开关的限值为±55 V）。

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大多数情况下，ESD二极管仍然存在于输出端，因为输出端 通常不需要过电压保护。

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输入端的ESD单元仍然能够提供出色的ESD保护。使用此类 ESD单元的ADG5412F过电压故障保护四通道SPST开关的 HBM ESD额定值可达到5.5 kV。

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对于IEC ESD (IEC 61000-4-2)、EFT或浪涌保护等更严格的情 况，可能仍然需要一个外部TVS或一个小型限流电阻。

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图5.故障保护开关架构。

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开关的一个输入端发生过电压状况时，受影响的通道将关 闭，输入将变为高阻态。其他通道上的漏电流仍然很小，因 而其余通道能够继续正常工作，而且对性能的影响极小。几 乎不用在系统速度/性能和过电压保护之间进行妥协。

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因此，故障保护开关能够大幅简化信号链解决方案。很多情 况下都需要使用限流电阻和肖特基二极管，而开关过电压保 护消除了这种需要。整体系统性能也不再受通常会引起信号 链漏电和失真的外部分立器件限制。

ADI 故障保护开关的特性
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ADI的故障保护开关新型产品系列采用专有高电压工艺打造 而成，能够在上电和未上电状态下提供高达±55 V的过电压 保护。这些器件能够为精密信号链使用的故障保护开关提供 业界领先的性能。

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图6.沟槽隔离工艺。防闩锁性

专有高电压工艺也采用了沟槽隔离技术。各开关的NDMOS与 PDMOS晶体管之间有一个绝缘氧化物层。因此，它与结隔离式 开关不同，晶体管之间不存在寄生结，从而抑制了所有情况下 的闩锁现象。例如，ADG5412F通过了1秒脉宽±500 mA的 JESD78D闩锁测试，这是规范中最严格的测试。

& b5 B4 f6 W3 t6 x( @( H' x模拟性能

新型ADI故障保护开关不仅能够实现业界领先的鲁棒性（过 电压保护、高ESD额定值、上电时无数字输入控制时处于已 知状态），而且还具有业界领先的模拟性能。模拟开关的性 能总是要在低导通电阻和低电容/电荷注入之间进行权衡。模 拟开关的选择通常取决于负载是高阻抗还是低阻抗。

2 e2 O+ ]" L4 K4 W5 W3 h) n低阻抗系统
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低阻抗系统通常采用低导通电阻器件，其中模拟开关的导通 电阻需要保持在最小值。在电等低阻抗系统中—例如源或增 益级—导通电阻和源阻抗与负载处于并联状态会引起增益 误差。虽然许多情况下能够对增益误差进行校准，但是信号 范围内或通道之间的导通电阻 (RON) 变化所引起的失真就 无法通过校准进行消除。因此，低阻电路更受制于因RON平 坦度和通道间的RON变化所导致的失真误差。

图7显示了一个新型故障保护开关在信号输入范围内的导通 电阻特性。除了能够实现极低的导通电阻外，RON平坦度和 通道之间的一致性也非常出色。这些器件采用具有专利技术 的开关驱动器设计，能够确保在信号输入电压范围内VGS电 压保持恒定从而导致平坦的RON性能。权衡就是信号输入范 围略有缩小，开关导通性能实现优化，这可从RON图的形状 看出。在对RON变化或THD敏感的应用中，这种RON性能可使 系统具有明显的优势。

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图7.故障保护开关导通电阻。

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ADG5404F是一款新型的具有防闩锁、过压故障保护功能的 多路复用器。与标准器件相比，具有防闩锁功能和过电压保 护功能的器件通常具有更高的导通电阻和更差的导通电阻 平坦度。但是，由于ADG5404F设计中采用了恒定VGS方案， RON平坦度实际上优于ADG1404（业界领先的低导通电阻） 和ADG5404（防闩锁，但没有过电压保护功能）。在很多应 用中，例如RTD温度测量，RON平坦度实际上比导通电阻的 绝对值更重要，因此具有故障保护功能的模拟开关在此类系 统中具有提高其产品性能的潜力。

低阻抗系统的典型故障模式是在发生故障时漏极输出变成 开路。

高阻抗系统
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在高阻抗系统通常采用低漏电流、低电容和低电荷注入开 关。由于多路复用器输出上的放大器负载，数据采集系统通 常具有高阻抗。

• 漏电流是高阻抗电路的主要误差来源。任意漏电流都可能 产生显著的测量误差。
• 低电容和低电荷注入也对快速建立至关重要。这可使数据 采集系统实现最大的数据吞吐量。
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新型ADI故障保护开关的漏电性能非常出色。正常工作时， 漏电流处于低nA范围内，这对在许多应用中进行精确测量至 关重要。

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最重要的是，即使其中一条输入通道处于故障状态，防漏性 能依然十分出色。这意味着，在修复故障前，可继续对其他 通道进行测量，因而系统停机时间得以缩短。ADG5248F 8:1 多路复用器的过电压漏电流如图8所示。

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高阻抗系统的典型故障模式是在发生故障时使漏极输出拉 至供电轨。

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图8.ADG5248F 过电压漏电流的温度特性。故障诊断

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大部分新型ADI故障保护开关还采用了数字故障引脚。FF引 脚是通用故障标志，表示其中一条输入通道处于故障状态。 特殊故障引脚（或SF引脚）可用于诊断哪一路特定输入处于 故障状态。

这些引脚对在系统中进行故障诊断非常有用。FF 引脚首先向 用户发出故障警告。随后，用户可轮询数字输入，然后SF 引脚将报出哪些特定开关或通道处于故障状态。

0 H/ \# o0 W0 O- F2 Y, A系统优势
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故障保护开关新型产品系列的系统优势如图9所示。无论是 在确保精密信号链的出色模拟性能方面，还是在系统鲁棒性 方面，该产品系列为系统设计人员带来的优势都非常巨大。

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图9.ADI 故障保护开关—特性和系统优势。

与分立保护器件相比，其优势非常明显，这些优势已在前文 详细说明。专有高电压工艺和新型开关架构还赋予了ADI故 障保护开关新产品系列多项优于同类解决方案的优势。

• 业界领先的RON平坦度，非常适合精密测量
• 业界领先的故障漏电流，能够在未受故障影响的其他通道 上继续工作（比同类解决方案性能好10倍）
• 器件配备副故障电源，可实现精密故障阈值设定，同时还 能维持出色的模拟开关性能
• 适合系统故障诊断的智能故障标志
  

应用范例
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图10所示的第一个应用范例是过程控制信号链，其中，微控制 器可监控多个传感器，例如RTD或热电偶温度传感器、压力传 感器和湿度传感器。在过程控制应用中，传感器可能连接在工 厂中一条非常长的电缆上，整条电缆都有可能出现故障。

此范例采用的多路复用器是ADG5249F，该器件已针对低电 容和低漏电流进行优化。对于此类小型信号传感器测量应 用，低漏电流非常重要。

模拟开关采用±15 V电源，同时副故障电源设置为5 V和 GND，能够保护下游PGA和ADC。

主传感器信号通过多路复用器传至PGA和ADC，而故障诊断 信息则直接发送至微控制器，用于在发生故障时提供中断功 能。因此，用户可收到故障状况的警告，并确定哪些传感器 发生故障。然后便可派出技术人员对故障进行调试，必要时 可更换发生故障的传感器或电缆。

得益于业界领先的低故障漏电流规格，当其中一个传感器故 障、正在等待更换时，其他传感器可以继续执行监控功能。 如果没有这种低故障漏电流，一条通道发生故障可能导致所 有其他通道无法使用，故障被修复后才可重新使用。

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图10.过程控制应用范例。

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图11中的第二个应用范例是数据采集信号链的一部分，其 中，ADG5462F通道保护器可增添额外的价值。在此范例中， PGA采用±15 V供电，而下游ADC则具有0 V至5 V的输入信 号范围。

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通道保护器位于PGA 和ADC 之间。采用±15 V 作为主电源， 以获得出色的导通电阻性能，而其副供电轨则采用0 V 和5 V 电压。正常工作时，ADG5462F 允许信号通过，但会将PGA 的所有过电压输出箝位至0 V 和5 V 之间，以保护ADC。因 此，与前面的应用范例一样，目标信号输入范围会在平坦的 RON 工作区域中。

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图11.数据采集应用范例。总结

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用具有过电压保护功能的模拟开关和多路复用器代替传统 分立保护器件可在精密信号链中提供多项系统优势。除了节 省电路板空间外，代替分立器件的性能优势也非常明显。

ADI公司提供多种具有过电压保护功能的模拟开关和多路复 用器。表1和表2列出了最新的故障保护器件产品系列。这些 产品系列采用专有的高电压和防闩锁工艺打造而成，能够为 精密信号链提供业界领先的性能和特性。

5 }% `8 I* \! w6 R产品系列汇总
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表1.低导通电阻型故障保护开关 产品 配置

产品	配置	故障触发阈值	输出故障模式	故障标志
ADG5412F ADG5413F	四通道SPST	主电源	开路	普通标志
ADG5412BF   i' l& D5 _: ~1 H/ ~/ TADG5413BF	四通道SPST和双向OVP	主电源	开路	普通标志
ADG5462F	四通道保护器	副电源	拉至副电源或开路（默认）	普通标志
ADG5404F	4:1多路复用	主电源	拉至副电源或开路（默认）	普通标志和特殊标志
ADG5436F	双通道SPDT	主电源	拉至副电源或开路（默认）	普通标志和特殊标志

表2.低电容/低电荷注入型故障保护开关

产品	配置	故障触发阈值	输出故障模式	故障标志
ADG5208F	8:1多路复用器	主电源	拉至供电轨	无
ADG5209F	差分4:1多路复用器	主电源	拉至供电轨	无
ADG5248F	8:1多路复用器	副电源	拉至副电源	普通标志和特殊标志
ADG5249F	差分4:1多路复用器	副电源	拉至副电源	普通标志和特殊标志
ADG5243F	三通道SPDT	副电源	拉至副电源	普通标志和特殊标志

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kinidrily

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