惡劣工作環(huán)境中的開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器設(shè)計(jì)考慮

簡(jiǎn)介
汽車(chē)、軍事和航空電子應(yīng)用中的惡劣工作環(huán)境對(duì)集成電路的技術(shù)要求極端苛刻，電路必須能夠承受高電壓和電流、極端溫度和濕度、振動(dòng)、輻射以及各種其他應(yīng)力。為了提供安全、娛樂(lè)、遠(yuǎn)程信息處理、控制和人機(jī)界面等應(yīng)用領(lǐng)域所需的特性和功能，系統(tǒng)工程師迅速采用高性能電子器件。隨著精密電子器件的使用日益增加，系統(tǒng)也變得越來(lái)越復(fù)雜，而且更易受到電子干擾，其中包括過(guò)壓、閂鎖狀況和靜電放電(ESD)事件。這些應(yīng)用中采用的電子電路需要具有高可靠性和對(duì)系統(tǒng)故障的高耐受性，因此設(shè)計(jì)人員在選擇器件時(shí)必須考慮到環(huán)境因素和器件自身限制。

此外，每個(gè)集成電路都有制造商規(guī)定的一些絕對(duì)最大額定值；設(shè)計(jì)時(shí)必須留意這些額定值，才能確保性能可靠且達(dá)到公布的技術(shù)規(guī)格。一旦超過(guò)這些絕對(duì)最大額定值，則無(wú)法保證工作參數(shù)；甚至可能導(dǎo)致內(nèi)置ESD、過(guò)壓或閂鎖保護(hù)失效，從而導(dǎo)致器件（并有可能更進(jìn)一步）損壞或出現(xiàn)故障。

本文描述了工程師在將模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器設(shè)計(jì)到惡劣環(huán)境下所用模塊中時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，并提供了一些一般解決方案建議，以供電路設(shè)計(jì)人員用來(lái)保護(hù)容易損壞的器件。另外，文中介紹了一些新款集成開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器，這些器件在過(guò)壓保護(hù)、防閂鎖特性和故障保護(hù)上均有所改善，能夠處理常見(jiàn)應(yīng)力狀況。

標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)架構(gòu)
要完全弄清楚模擬開(kāi)關(guān)上故障狀況造成的影響，首先必須查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作極限。

標(biāo)準(zhǔn)CMOS開(kāi)關(guān)（圖1）采用N和P溝道MOSFET作為開(kāi)關(guān)元件、數(shù)字控制邏輯和驅(qū)動(dòng)器電路。N和P溝道MOSFET以并聯(lián)方式相連，允許進(jìn)行雙向操作，并將模擬輸入電壓范圍可以擴(kuò)展到供電軌，同時(shí)在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)使導(dǎo)通電阻保持相當(dāng)恒定。

圖1.標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)電路

信號(hào)源、漏極和邏輯控制端對(duì)正負(fù)源電壓都設(shè)計(jì)有箝位二極管以提供ESD保護(hù)，如圖1所示。在正常工作模式下，這些二極管反向偏置，因此除非信號(hào)超過(guò)電源電壓，否則不會(huì)通過(guò)電流。這些二極管的尺寸因工藝而異，不過(guò)一般都采用小型設(shè)計(jì)，以盡量減少正常工作時(shí)的漏電流。

模擬開(kāi)關(guān)的控制方式如下：當(dāng)柵極-源極電壓為正值時(shí)，N溝道器件導(dǎo)通，而當(dāng)該電壓為負(fù)值時(shí)則關(guān)斷；P溝道器件由互補(bǔ)信號(hào)進(jìn)行切換，因此與N溝道器件同時(shí)接通。開(kāi)關(guān)的接通與斷開(kāi)是通過(guò)在兩個(gè)柵極上分別施加正負(fù)源電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)柵極上的電壓固定時(shí)，兩個(gè)晶體管的有效驅(qū)動(dòng)電壓隨著通過(guò)開(kāi)關(guān)的模擬信號(hào)極性和幅度變化而呈比例變化。圖2中的虛線表示，當(dāng)輸入信號(hào)接近電源電壓時(shí)，總有一個(gè)器件的溝道開(kāi)始飽和，從而造成該器件的導(dǎo)通電阻急劇增加。不過(guò)，并聯(lián)器件在供電軌電壓附近相互補(bǔ)償，因此最終得到的是完全的軌到軌開(kāi)關(guān)，并且導(dǎo)通電阻在信號(hào)范圍內(nèi)保持相對(duì)恒定。

圖2.標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)R_ON圖

絕對(duì)最大額定值
設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的開(kāi)關(guān)功率要求，這樣才能保證性能、操作和壽命均達(dá)到最佳。不幸的是，實(shí)際操作過(guò)程中存在電源故障、惡劣環(huán)境中的電壓瞬變和系統(tǒng)或用戶故障，因而不可能始終達(dá)到數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求。

只要模擬開(kāi)關(guān)的輸入電壓超過(guò)電源電壓，即使電源已關(guān)閉，內(nèi)置ESD保護(hù)二極管變成正向偏置，允許流過(guò)大電流，這樣即會(huì)超過(guò)那些額定值。正向偏置時(shí)，這些二極管導(dǎo)通電流并不只局限于幾十毫安，一旦不對(duì)這個(gè)正向電流加以限制，就可能會(huì)造成器件損壞。更為嚴(yán)重的是，故障導(dǎo)致的損壞并不限于開(kāi)關(guān)，也可能影響到下游電路。

數(shù)據(jù)手冊(cè)的“絕對(duì)最大額定值”部分（圖 3）描述了器件可以耐受的最大應(yīng)力條件；請(qǐng)務(wù)必注意，這些只是額定最值。長(zhǎng)期在絕對(duì)最大額定值條件下工作會(huì)影響器件的可靠性。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)始終遵循良好的工程實(shí)踐做法，在設(shè)計(jì)中保留余量。此處示例摘自標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)/多路復(fù)用器數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖3.數(shù)據(jù)手冊(cè)的“絕對(duì)最大額定值”部分

本例中，V_DD至V_SS參數(shù)的額定值為 18 V。該額定值取決于開(kāi)關(guān)的制造工藝和設(shè)計(jì)架構(gòu)。所有高于18V的電壓都必須與該開(kāi)關(guān)完全隔離開(kāi)來(lái)，否則將會(huì)超過(guò)與該工藝相關(guān)的元件本征擊穿電壓，而這可能會(huì)損壞器件并導(dǎo)致工作不可靠。

無(wú)論是否施加電源，模擬開(kāi)關(guān)輸入端的電壓上限通常都取決于ESD保護(hù)電路，該電路可能會(huì)因發(fā)生故障情況而失效。

圖4.模擬開(kāi)關(guān)—ESD保護(hù)二極管

模擬輸入電壓極值以超出V_DD和V_SS 0.3 V為限，而數(shù)字輸入電壓極值以超出V_DD和GND 0.3 V為限。當(dāng)模擬輸入超過(guò)電源電壓時(shí)，內(nèi)置ESD保護(hù)二極管變?yōu)檎㈤_(kāi)始導(dǎo)通。如“絕對(duì)最大額定值”部分所述，IN、S或D上的過(guò)壓由內(nèi)部二極管箝位。雖然 30 mA以上的電流可以通過(guò)內(nèi)部二極管且不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，但是器件可靠性和壽命可能會(huì)有所下降，且隨著時(shí)間推移可能會(huì)出現(xiàn)電子遷移效應(yīng)（即導(dǎo)線上金屬原子逐漸發(fā)生移動(dòng)）。當(dāng)強(qiáng)電流流過(guò)金屬路徑時(shí)，移動(dòng)中的電子與導(dǎo)線上的金屬原子之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，迫使金屬原子隨著電子移動(dòng)而移動(dòng)。隨著時(shí)間的推移，這可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)路或短路。

在將開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中時(shí)，需要考慮到系統(tǒng)中因器件故障、用戶錯(cuò)誤或環(huán)境影響而可能出現(xiàn)的各種潛在故障，這點(diǎn)非常重要。下一節(jié)將討論超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)絕對(duì)最大額定值的故障狀況是如何損壞開(kāi)關(guān)或?qū)е缕涔ぷ鞑徽５摹?

常見(jiàn)故障狀況、系統(tǒng)應(yīng)力和保護(hù)方法
故障狀況的出現(xiàn)原因各不相同；表1中列出了一些最為常見(jiàn)的系統(tǒng)應(yīng)力及其實(shí)際來(lái)源：

表1

有些應(yīng)力可能無(wú)法避免。無(wú)論應(yīng)力的來(lái)源是什么，更為重要的是如何處理其產(chǎn)生的影響。下文問(wèn)答環(huán)節(jié)涵蓋了過(guò)壓、閂鎖和 ESD 事件三種故障狀況并提供了一些常見(jiàn)的保護(hù)方法。

過(guò)壓
什么是過(guò)壓狀況？
當(dāng)模擬或數(shù)字輸入超過(guò)絕對(duì)最大額定值時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓狀況。以下三個(gè)示例重點(diǎn)介紹了設(shè)計(jì)人員在使用模擬開(kāi)關(guān)時(shí)應(yīng)考慮到的一些常見(jiàn)問(wèn)題。

1.電源缺失且模擬輸入端存在信號(hào)（圖5）

在某些應(yīng)用中，在模塊的電源缺失時(shí)，來(lái)自遠(yuǎn)程位置的輸入信號(hào)可能依然存在。當(dāng)電源缺失時(shí)，供電軌可能會(huì)變?yōu)榈兀蛘咭粋€(gè)或多個(gè)供電軌可能懸空。如果電源變?yōu)榈兀斎胄盘?hào)可使內(nèi)部二極管呈正偏，因而開(kāi)關(guān)輸入端的電流將流向地，這時(shí)如果電流未受限制，則會(huì)損壞該二極管。

圖5.故障路徑

如果失電導(dǎo)致電源懸空，輸入信號(hào)可以通過(guò)內(nèi)部二極管給器件供電。因此，開(kāi)關(guān)（可能還有采用其VDD電源供電的任何其他器件）可能會(huì)上電。

2. 模擬輸入端的過(guò)壓狀況.

當(dāng)模擬信號(hào)超過(guò)電源電壓（VDD和VSS）時(shí)，電源被拉至故障信號(hào)的二極管壓降范圍內(nèi)。內(nèi)部二極管轉(zhuǎn)為正向偏置，電流從輸入信號(hào)流至電源。過(guò)壓信號(hào)還可流過(guò)開(kāi)關(guān)并損壞下游器件。通過(guò)考慮P溝道FET的情況就可以明白這點(diǎn)（圖 6）。

圖6.FET開(kāi)關(guān)

柵極-源極電壓為負(fù)值時(shí)，P溝道FET才可接通。當(dāng)開(kāi)關(guān)柵極等于VDD時(shí)，柵極-源極電壓為正值，因此開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。在未加電電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)柵極等于0V或輸入信號(hào)超過(guò)VDD時(shí)，柵極-源極電壓現(xiàn)在為負(fù)值，因此信號(hào)將流過(guò)該開(kāi)關(guān)。

3.向采用單電源供電的開(kāi)關(guān)施加雙極性信號(hào)

這種情況類(lèi)似于前文所述的過(guò)壓狀況。當(dāng)輸入信號(hào)降至地以下，從而導(dǎo)致信號(hào)輸入端和地之間的二極管呈正偏并開(kāi)始傳導(dǎo)電流時(shí)，就會(huì)發(fā)生該故障。當(dāng)向開(kāi)關(guān)輸入端施加偏置0 V DC的交流信號(hào)時(shí)，對(duì)于輸入波形負(fù)半周的某一部分，寄生二極管可能呈正偏。如果輸入正弦波降至約–0.6 V以下，就會(huì)發(fā)生這種情況，那時(shí)二極管將導(dǎo)通并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行削波，如圖7所示。

圖7.削波

處理過(guò)壓狀況的最佳方式是什么？
上述三個(gè)示例都是模擬輸入超過(guò)電源（V_DD、V_SS或GND）所導(dǎo)致的結(jié)果。針對(duì)這些狀況的簡(jiǎn)單保護(hù)方法包括添加外部電阻、對(duì)電源添加肖特基二極管和在電源上添加阻斷二極管。

限流電阻可以串聯(lián)在開(kāi)關(guān)通路和外部電路之間（圖 8）。該電阻必須足夠大，以便將電流限制在約 30 mA（或絕對(duì)最大額定值所規(guī)定的大?。?。明顯缺點(diǎn)是每個(gè)溝道的R_ON有所增加 (?R_ON)，因而最終導(dǎo)致總體系統(tǒng)誤差增加。另外，對(duì)于采用多路復(fù)用器的應(yīng)用，關(guān)斷通道外部電路上的故障會(huì)出現(xiàn)在漏極處，從而導(dǎo)致其他溝道產(chǎn)生誤差。

圖8.電阻二極管保護(hù)網(wǎng)絡(luò)

肖特基二極管連接在模擬輸入端和電源之間，可以提供保護(hù)，但是會(huì)造成漏電流和電容的增大。這些二極管可以防止輸入信號(hào)超過(guò)電源電壓0.3V至0.4 V以上，從而確保內(nèi)部二極管不會(huì)變成正向偏置，因而也就不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通電流。籍由肖特基二極管轉(zhuǎn)移電流可以起到保護(hù)器件的作用，但必須小心不要讓外部器件受到過(guò)應(yīng)力。

第三種保護(hù)方法需要與電源串聯(lián)阻斷二極管（圖 9），從而阻斷流過(guò)內(nèi)部二極管的電流。輸入端上的故障導(dǎo)致電源懸空，而最大正負(fù)輸入信號(hào)成為電源。只要電源未超過(guò)工藝的絕對(duì)最大額定值，器件應(yīng)該都可以耐受故障。這種方法的缺點(diǎn)是受電源上的二極管影響而導(dǎo)致模擬信號(hào)范圍有所縮小。此外，施加于輸入端的信號(hào)可能通過(guò)器件并影響下游電路。

圖9.與電源串聯(lián)的阻斷二極管

While 這些保護(hù)方法雖然各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但都需要外部器件、占用額外電路板空間并帶來(lái)額外成本。在高通道數(shù)應(yīng)用中，這點(diǎn)可能顯得尤為突出。要消除外部保護(hù)電路，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)尋求可耐受這些故障的集成保護(hù)解決方案。 ADI 公司提供有多種集成有斷電、過(guò)壓和負(fù)信號(hào)保護(hù)功能的開(kāi)關(guān)/多路復(fù)用器系列器件。

預(yù)防措施有哪些？
ADI公司的 ADG4612 和 ADG4613 具有低導(dǎo)通電阻和低失真性能，非常適合要求高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。導(dǎo)通電阻曲線在整個(gè)模擬輸入范圍都非常平坦，可確保擁有出色的線性度和低失真性能。

ADG4612系列器件提供斷電保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和負(fù)信號(hào)處理功能，這些功能是標(biāo)準(zhǔn) CMOS 開(kāi)關(guān)所無(wú)法處理的。

無(wú)電源時(shí)開(kāi)關(guān)仍然處于斷開(kāi)狀態(tài)。開(kāi)關(guān)輸入端呈現(xiàn)為高阻抗，有限的電流，就可以使開(kāi)關(guān)或下游電路損壞。對(duì)于電源接通之前開(kāi)關(guān)輸入端可能存在模擬信號(hào)的應(yīng)用，或者對(duì)于用戶無(wú)法控制電源上電時(shí)序的應(yīng)用，ADG4612非常有用。在斷開(kāi)條件下，高達(dá)16 V的信號(hào)電平被屏蔽。另外，如果模擬輸入信號(hào)電平比 V_DD高出V_T，開(kāi)關(guān)即會(huì)斷開(kāi)。

圖10.ADG4612/ADG4613開(kāi)關(guān)架構(gòu)

圖10顯示了該系列器件斷電保護(hù)架構(gòu)的框圖。該架構(gòu)能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)的源極和漏極輸入，并與電源V_DD和V_SS進(jìn)行比較。在正常工作模式下，該開(kāi)關(guān)的行為與支持完全軌到軌工作模式的標(biāo)準(zhǔn)CMOS開(kāi)關(guān)相同。不過(guò)，當(dāng)源極或漏極輸入出現(xiàn)比電源高出一個(gè)閾值電壓的故障狀況時(shí)，內(nèi)部故障電路會(huì)檢測(cè)到過(guò)壓狀況并將開(kāi)關(guān)置于隔離模式。

ADI公司還提供多路復(fù)用器和通道保護(hù)器，當(dāng)器件上施加有 (±15 V)電源時(shí)可耐受+40 V/–25 V 的過(guò)壓狀況，而在無(wú)電源時(shí)則可耐受超過(guò)+55V/–40V的過(guò)壓狀況。這些器件專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于處理斷電狀況導(dǎo)致的故障。

圖11.高壓故障保護(hù)開(kāi)關(guān)架構(gòu)

這些器件由串聯(lián)的N溝道、P溝道和N溝道MOSFET組成，如圖11所示。當(dāng)其中一個(gè)模擬輸入或輸出超過(guò)電源電壓時(shí)，這些MOSFET之一即會(huì)斷開(kāi)，且多路復(fù)用器輸入（或輸出）表現(xiàn)為開(kāi)路，同時(shí)輸出箝位至供電軌范圍內(nèi)，從而防止過(guò)壓損壞多路復(fù)用器之后的任何電路。這樣可以保護(hù)多路復(fù)用器、其驅(qū)動(dòng)的電路以及驅(qū)動(dòng)多路復(fù)用器的傳感器或信號(hào)源。當(dāng)電源缺失（如電池?cái)嚅_(kāi)連接或電源故障）或暫時(shí)斷開(kāi)連接（如機(jī)架系統(tǒng)）時(shí)，所有晶體管都關(guān)斷，且電流限制在納安級(jí)別以下。 ADG508F, ADG509F, 和 ADG528F等8:1和差分4:1多路復(fù)用器具有此功能。

單通道保護(hù)器 ADG465 和八通道保護(hù)器ADG467 具有與這些故障保護(hù)多路復(fù)用器相同的保護(hù)架構(gòu)，但不具備開(kāi)關(guān)功能。帶有電源時(shí)，通道始終處于接通狀態(tài)，但在發(fā)生故障時(shí)，輸出箝位至電源電壓范圍內(nèi)。

閂鎖
什么是閂鎖狀況？
閂鎖可以定義為因觸發(fā)寄生器件而在供電軌之間構(gòu)建出低阻抗路徑。閂鎖發(fā)生CMOS器件中：本征寄生器件構(gòu)成PNPN SCR結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)寄生基極-發(fā)射極之一瞬態(tài)發(fā)生正向偏置時(shí)就發(fā)生閂鎖（圖 12）。而SCR導(dǎo)通則導(dǎo)致電源之間持續(xù)短路。觸發(fā)閂鎖狀況的后果非常嚴(yán)重：在“最好”情況下，它會(huì)導(dǎo)致器件出現(xiàn)故障，需要上電周期來(lái)將器件恢復(fù)到正常工作模式；在最差情況下，如果電流未受到限制，器件（還有電源）會(huì)受到破壞。

圖12.寄生 SCR 結(jié)果：a)器件 b)等效電路

前文所述的故障和過(guò)壓狀況都是觸發(fā)閂鎖狀況的常見(jiàn)原因。如果模擬或數(shù)字輸入端的信號(hào)超過(guò)電源電壓，寄生晶體管即會(huì)導(dǎo)通。該晶體管的集電極電流會(huì)造成第二個(gè)寄生晶體管的基極發(fā)射極上出現(xiàn)電壓降低，而使第二個(gè)晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)致電源之間出現(xiàn)自持續(xù)路徑。圖 12(b)清楚地顯示了 Q1 和 Q2 之間形成的SCR電路結(jié)構(gòu)。

這類(lèi)事件段時(shí)間就可以觸發(fā)閂鎖。短暫的瞬變、尖峰或ESD事件可能就足以導(dǎo)致器件進(jìn)入閂鎖狀態(tài)。

此外，如果電源電壓超過(guò)器件的絕對(duì)最大額定值，則可導(dǎo)致內(nèi)部PN結(jié)擊穿并觸發(fā) SCR。

第二種觸發(fā)機(jī)制是當(dāng)電源電壓升至足以擊穿一個(gè)內(nèi)部PN結(jié)并向SCR注入電流。

處理閂鎖狀況的最佳方式是什么？
針對(duì)閂鎖的保護(hù)方法包括推薦用于解決過(guò)壓狀況的相同保護(hù)方法。通過(guò)在信號(hào)路徑中添加限流電阻、對(duì)電源添加肖特基二極管以及在電源上串聯(lián)二極管（如圖8和圖9中所示），這些都可幫助阻止電流流過(guò)寄生晶體管，從而防止SCR的觸發(fā)。

具有多個(gè)電源時(shí)，開(kāi)關(guān)可能還存在上電時(shí)序問(wèn)題，處理不當(dāng)就可能超過(guò)其絕對(duì)最大額定值。不恰當(dāng)?shù)纳想姇r(shí)序可導(dǎo)致內(nèi)部二極管導(dǎo)通并觸發(fā)閂鎖。通過(guò)在電源之間連接外部肖特基二極管，可確保當(dāng)開(kāi)關(guān)上施加有多個(gè)電源時(shí)，VDD始終位于這些電源的二極管壓降（對(duì)于肖特基二極管，為 0.3 V）范圍內(nèi)，從而防止違背最大額定值，因而可有效防止出現(xiàn)SCR傳導(dǎo)。

預(yù)防措施有哪些？
As an作為外部保護(hù)電路的備選方案，一些IC采用外延層工藝制造，該工藝可增加SCR結(jié)構(gòu)中的襯底和N井之間的電阻。電阻增加意味著，遇到更惡劣的應(yīng)力才會(huì)觸發(fā)SCR，從而使器件比較不容易受到閂鎖影響。ADI公司的iCMOS?工藝就是一個(gè)例子，該工藝催生了 ADG121x, ADG141x, 和 ADG161x 開(kāi)關(guān)/多路復(fù)用器系列。

對(duì)于需要防閂鎖型解決方案的應(yīng)用，采用溝道隔離技術(shù)的新款開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器能夠保證工作電壓高達(dá)±20 V的高壓工業(yè)應(yīng)用不會(huì)發(fā)生閂鎖現(xiàn)象。ADG541x和ADG521x系列器件針對(duì)易于發(fā)生閂鎖現(xiàn)象的儀器儀表、汽車(chē)應(yīng)用、航空電子和其它惡劣環(huán)境而設(shè)計(jì)。該工藝在各CMOS開(kāi)關(guān)的N溝道和P溝道晶體管之間放置一個(gè)絕緣氧化物層(trentch）。該氧化物層在器件之間提供垂直和水平方向上的完全隔離。因此，晶體管之間的寄生PN結(jié)被消除，從而生產(chǎn)出完全不會(huì)發(fā)生閂鎖效應(yīng)的開(kāi)關(guān)電路。

圖13.閂鎖防護(hù)中的溝道隔離

行業(yè)慣例是根據(jù)在內(nèi)部寄生電阻發(fā)展出足以維持閂鎖條件的壓降之前該過(guò)壓條件下 I/O 引腳扇入扇出的過(guò)電流量，劃分輸入和輸出對(duì)閂鎖的敏感性性。

一般認(rèn)為100 mA足夠。ADG5412防閂鎖系列中的器件可以在 1-ms 脈沖上耐受±500 mA 而不發(fā)生失效。ADI公司的閂鎖測(cè)試是根據(jù) EIA/JEDEC-78（IC 閂鎖測(cè)試）來(lái)執(zhí)行的。

ESD—靜電放電
什么是 ESD事件？
通常來(lái)說(shuō)，ESD是器件上一種最為常見(jiàn)的電壓瞬變現(xiàn)象，具體定義為“帶有不同電勢(shì)差的兩個(gè)物體之間發(fā)生的單次快速高電流靜電電荷轉(zhuǎn)移”。這種現(xiàn)象非常常見(jiàn)：當(dāng)我們從地毯等絕緣表面上走過(guò)時(shí)，電荷即會(huì)不斷積累，之后如果接觸設(shè)備的接地部分，即會(huì)通過(guò)設(shè)備產(chǎn)生瞬間的高電流放電。

ESD 事件產(chǎn)生的高壓和高峰值電流會(huì)損壞 IC。其對(duì)模擬開(kāi)關(guān)的影響包括可靠性隨時(shí)間推移而降低、開(kāi)關(guān)性能下降、溝道漏電流增加或器件完全失效。

在 IC 生命周期的任何階段中，無(wú)論從制造到測(cè)試，還是在搬運(yùn)、OEM 用戶和最終用戶操作過(guò)程中，都可能會(huì)發(fā)生 ESD 事件。為了評(píng)估 IC 對(duì)各種 ESD 事件的魯棒性，確定了對(duì)下列仿真應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行建模的電子脈沖電路：人體模型 (HBM)、感應(yīng)放電模型 (FICDM)和機(jī)器放電模型 (MM)。

處理 ESD事件的最佳方式是什么？
在生產(chǎn)、組裝和儲(chǔ)存過(guò)程中，可以采用維持靜電安全工作區(qū)域等 ESD 防護(hù)方法來(lái)避免累計(jì)任何電荷。這類(lèi)環(huán)境及其中的工作人員通?？梢赃M(jìn)行仔細(xì)控制，但之后器件所用于的環(huán)境可能就無(wú)從加以控制。

模擬開(kāi)關(guān) ESD 保護(hù)電路通常采用在模擬及數(shù)字輸入端和源極之間放置二極管的形式，而電源保護(hù)電路也是采用在源極之放置二極管的形式，如圖 14 所示。

圖14.模擬開(kāi)關(guān)ESD保護(hù)電路

保護(hù)二極管可以將電壓瞬變箝位并將電流導(dǎo)向源極。這類(lèi)保護(hù)器件的缺點(diǎn)是它們會(huì)在正常工作時(shí)向信號(hào)路徑中增加電容和漏電流，而這點(diǎn)可能是有些應(yīng)用中所不希望的。

對(duì)于需要更強(qiáng) ESD 事件保護(hù)的應(yīng)用，通常可以采用齊納二極管、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和二極管等分立器件。不過(guò)，這些器件會(huì)在信號(hào)線路上造成電容和漏電流增加，因此可能導(dǎo)致信號(hào)完整性問(wèn)題；這意味著設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)考量，并在性能和可靠性之間進(jìn)行權(quán)衡。

預(yù)防措施有哪些？
ADI公司的大多數(shù)開(kāi)關(guān)/多路復(fù)用器產(chǎn)品都滿足至少±2 kV的 HBM水平要求，有些器件在性能方面更進(jìn)一步，HBM額定值高達(dá)±8kV。 ADG541x 系列器件的HBM指標(biāo)為±8-kV、FICDM指標(biāo)為±1.5-kV和MM指標(biāo)為±400-V，實(shí)現(xiàn)高壓性能和高ESD防護(hù)性能的完美結(jié)合，是業(yè)界當(dāng)之無(wú)愧的領(lǐng)軍產(chǎn)品。

總結(jié)
當(dāng)開(kāi)關(guān)或多路復(fù)用器輸入來(lái)自遠(yuǎn)程信號(hào)源時(shí)，發(fā)生故障的可能性更大。系統(tǒng)上電時(shí)序設(shè)計(jì)不當(dāng)或系統(tǒng)熱插拔都可能導(dǎo)致過(guò)壓。在惡劣的電氣工作環(huán)境中，若未采取保護(hù)措施，因連接欠佳或感性耦合導(dǎo)致的瞬變電壓可能會(huì)損壞元件。此外，出現(xiàn)電源連接丟失而開(kāi)關(guān)輸入端仍然連接至模擬信號(hào)這樣的電源失效時(shí)，也會(huì)發(fā)生故障。這些故障狀況可能造成重大損壞，并導(dǎo)致高昂的維修成本。雖然可以采用多種保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)解決這些故障，但是成本和電路板空間會(huì)增加，并且通常需要對(duì)開(kāi)關(guān)性能做出權(quán)衡取舍；而且即使是實(shí)施外部保護(hù)電路，也并不是始終都可以保護(hù)下游電路。而模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器通常是最容易面臨各種故障條件的電子元件，因此必須了解這些器件在遇到超過(guò)絕對(duì)最大額定值的狀況時(shí)的行為，這點(diǎn)非常重要。

一些開(kāi)關(guān)/多路復(fù)用器產(chǎn)品（如此處提到的器件）內(nèi)部集成有保護(hù)電路，讓設(shè)計(jì)人員無(wú)需采用外部保護(hù)電路，從而減少了電路板設(shè)計(jì)中的元件數(shù)量和成本。在高通道數(shù)應(yīng)用中，節(jié)省將更為顯著。

最終，通過(guò)采用具有故障保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、抗閂鎖和高 ESD 額定值的開(kāi)關(guān)，將可得到符合工業(yè)要求的高可靠性產(chǎn)品，讓客戶和最終用戶更為滿意。

附錄
ADI公司的開(kāi)關(guān)/多路復(fù)用器保護(hù)產(chǎn)品：

高壓防閂鎖型開(kāi)關(guān)

高壓防閂鎖型多路復(fù)用器

低電壓故障保護(hù)多路復(fù)用器開(kāi)關(guān)

高電壓故障保護(hù)多路復(fù)用器開(kāi)關(guān)

高電壓通道保護(hù)器

作者簡(jiǎn)介
	Michael Manning [michael.manning@analog.com] 畢業(yè)于愛(ài)爾蘭戈?duì)栱f國(guó)立大學(xué)，獲得應(yīng)用物理和電子工程碩士學(xué)位。他于 2006 年加入ADI公司，任職于愛(ài)爾蘭利默里克的開(kāi)關(guān)/多路復(fù)用器部門(mén)。在此之前， Michael曾作為一名設(shè)計(jì)和應(yīng)用工程師在日本和瑞典ALPS電氣的汽車(chē)應(yīng)用部門(mén)工作過(guò)五年。