用過壓故障保護(hù)模擬開關(guān)代替 分立保護(hù)器件

摘要

設(shè)計(jì)具有魯棒性的電子電路較為困難，通常會(huì)導(dǎo)致具有大量 分立保護(hù)器件的設(shè)計(jì)的相關(guān)成本增加、時(shí)間延長(zhǎng)、空間擴(kuò)大。 本文將討論故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)，及其與傳統(tǒng)分立保護(hù)解決方 案相比的性能優(yōu)勢(shì)和其他優(yōu)點(diǎn)。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(hù)性能以及精密信號(hào)鏈所需 性能的專有高電壓工藝。ADI的故障保護(hù)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(hào)鏈的模擬輸入保護(hù)往往令系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hù)水 平(可由分立器件提供)之間進(jìn)行權(quán)衡。

用具有過電壓保護(hù)功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器代替分立 保護(hù)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(shì)。過電壓保護(hù)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(gè)例子是過程控制信號(hào)鏈中的傳感器 輸入端。

本文詳細(xì)說明了由過電壓事件引起的問題，討論了傳統(tǒng)分立 保護(hù)解決方案及其相關(guān)缺點(diǎn)，還介紹了過電壓保護(hù)模擬開關(guān) 解決方案的特性和系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，最后介紹了ADI業(yè)界領(lǐng)先的故 障保護(hù)模擬開關(guān)產(chǎn)品系列。

過電壓?jiǎn)栴}—回顧基礎(chǔ)

如果施加在開關(guān)上的輸入信號(hào)超過電源電壓(VDD或VSS)一 個(gè)以上二極管壓降，則IC內(nèi)的ESD保護(hù)二極管將變成正向偏 置，而且電流將從輸入信號(hào)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(dòng)，輸入信號(hào)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(hào)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(hào)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(fù)VGS下接通，開關(guān)將把 削減的信號(hào)傳至輸出端，這可能會(huì)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(hào)削減為+0.7 V。

圖2.電源接地時(shí)的過電壓信號(hào)

分立保護(hù)解決方案

設(shè)計(jì)人員通常采用分立保護(hù)器件解決輸入保護(hù)問題。

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電壓信號(hào)。圖3所 示為多路復(fù)用信號(hào)鏈中這種保護(hù)方案的一個(gè)示例。

但是，使用此類分立保護(hù)器件存在許多缺點(diǎn)。

串聯(lián)電阻會(huì)延長(zhǎng)多路復(fù)用器的建立時(shí)間并縮短整體建立 時(shí)間。

保護(hù)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(cè)量結(jié)果的精度和線性度。

在電源浮動(dòng)情況時(shí)時(shí)沒有任何保護(hù)，因?yàn)檫B接至電源的 ESD二極管不會(huì)提供任何箝位保護(hù)。

圖3.分立保護(hù)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(hù)器件—用于限制電流的串聯(lián)電阻 和用于實(shí)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(hù)。

圖4.采用外部分立保護(hù)器件的傳統(tǒng)開關(guān)架構(gòu)

故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)

故障保護(hù)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(dá)到工藝限值(ADI提 供的新型故障保護(hù)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?yàn)檩敵龆?通常不需要過電壓保護(hù)。

輸入端的ESD單元仍然能夠提供出色的ESD保護(hù)。使用此類 ESD單元的ADG5412F過電壓故障保護(hù)四通道SPST開關(guān)的 HBM ESD額定值可達(dá)到5.5 kV。

對(duì)于IEC ESD (IEC 61000-4-2)、EFT或浪涌保護(hù)等更嚴(yán)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(hù)開關(guān)架構(gòu)

開關(guān)的一個(gè)輸入端發(fā)生過電壓狀況時(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(xù)正常工作，而且對(duì)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(hù)之間進(jìn)行妥協(xié)。

因此，故障保護(hù)開關(guān)能夠大幅簡(jiǎn)化信號(hào)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(hù)消除了這種需要。整體系統(tǒng)性能也不再受通常會(huì)引起信號(hào) 鏈漏電和失真的外部分立器件限制。

ADI 故障保護(hù)開關(guān)的特性

ADI的故障保護(hù)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(dá)±55 V的過電壓 保護(hù)。這些器件能夠?yàn)榫苄盘?hào)鏈?zhǔn)褂玫墓收媳Ｗo(hù)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(gè)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(cè)試，這是規(guī)范中最嚴(yán)格的測(cè)試。

模擬性能

新型ADI故障保護(hù)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(hù)、高ESD額定值、上電時(shí)無數(shù)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(jìn)行權(quán)衡。模 擬開關(guān)的選擇通常取決于負(fù)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(jí)—導(dǎo)通電阻和源阻抗與負(fù)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?qū)υ鲆嬲`差進(jìn)行校準(zhǔn)，但是信號(hào) 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(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(dǎo)致的失真誤差。

圖7顯示了一個(gè)新型故障保護(hù)開關(guān)在信號(hào)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(dòng)器設(shè)計(jì)，能夠確保在信號(hào)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(hào)輸入范 圍略有縮小，開關(guān)導(dǎo)通性能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，這可從RON圖的形狀 看出。在對(duì)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(shì)。

圖7.故障保護(hù)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(hù)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(hù)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(jì)中采用了恒定VGS方案， RON平坦度實(shí)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(hù)功能)。在很多應(yīng) 用中，例如RTD溫度測(cè)量，RON平坦度實(shí)際上比導(dǎo)通電阻的 絕對(duì)值更重要，因此具有故障保護(hù)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(shí)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(fù)載，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通 常具有高阻抗。