对敏感型电子信号输入实施过压保护的可靠新方法

作者：Thomas Brand，ADI公司现场应用工程师

对电子系统可靠性的高要求，特别是在工业环境中，不断给开发人员带来巨大的挑战。过压保护是一个关键的设计考量因素和挑战，因为要保护系统不受过压影响通常需要用到更多部件，但是这些附加部件经常会对系统产生影响，在最坏的情况下，甚至会产生错误信号。除此之外，这些部件会额外增加成本，还会进一步加重空间限制问题。因此，在设计保护电路时，传统的解决方案往往需要在系统精度和保护等级之间做出妥协。

通常，常见的简单设计方法是使用外部保护二极管，通常是瞬态电压抑制器(TVS)二极管，安装在信号线和电源线或接地线之间。TVS二极管相当有用，因为他们可以快速对瞬态的电压峰值作出反应。图1左侧所示的就是这种类型的外部过压保护。

图1.采用额外的分立式组件的传统型过压保护设计

如果发生正瞬态电压脉冲过压，电流会通过D1流向VDD以箝位此正瞬态电压脉冲，电压因此受限，箝位电压等于VDD加上二极管上的正向电压。如果脉冲是负的，并且小于VSS，那么上述功能同样适用，只是换作通过D2钳位到VSS。但是，如果不加以限制过压引起的泄漏电流，则可能会损坏二极管。出于这个原因，会在路径中加装一个限流电阻。在非常恶劣的环境条件下，输入端的双向TVS二极管通常用于增强保护。

这种类型的保护电路的缺点包括增加信号上升和下降时间以及电容效应。此外，当电路处于断电状态时，不提供任何保护。

实际的器件，例如模数转换器(ADC)、运算放大器等，通常都内置保护功能。如图1右侧所示，此保护功能由开关架构构成。从图1还可以看出，电源轨两侧都配有输入端和输出端保护二极管。这种设置存在缺点，当浮动信号在断电状态（IC没有通电）下出现时，开关可能会像处于活动状态一样（即使设置为关闭），电流会流经二极管和电源轨。这种现象将允许电流通过信号线路，导致信号线路失去保护。

故障保护开关架构

解决上述问题的一种方法是使用配有双向ESD单元的故障保护开关架构，如图2所示。现在，ESD单元会通过不断比较输入电压和VDD或VSS上的电压来箝位瞬时电压，而非使用输入端TVS二极管。长时间过压时，下游开关会自动打开。如此一来，输入电压不再受箝位在电源轨道上的保护二极管限制，而是由开关的最大额定电压限制。除此以外，还可以实现更高的系统鲁棒性和可靠性，且不会对实际信号及其精度产生影响。此外，开关关断时泄漏电流非常低，所以也不需要使用额外的限流电阻。

图2.配有集成式双向ESD单元的过压保护

ADI公司(ADI)提供的四通道单刀单掷(SPST)开关ADG5412F采用了这种输入结构。无论现有电源多大，此开关都可以承受高达±55 V的永久过压。这四个通道每个通道上集成的ESD单元都可以箝位高达5.5 kV的瞬态电压。在过压条件下，只有受影响的通道会打开，其他通道继续正常工作。

结论

得益于这种过压保护开关，电路可以大大简化。与传统的分立式解决方案相比，无论是在确保精密信号链的出色开关性能方面，还是在优化空间使用率方面，这种解决方案都具有明显优势。因此，ADG5412F提供的过压保护特别适用于恶劣环境下的高精度测量应用。

作者简介

Thomas Brand于2015年加入德国慕尼黑的ADI公司，当时他还在攻读硕士。毕业后，他参加了ADI公司的培训生项目。2017年，他成为一名现场应用工程师。Thomas为中欧的大型工业客户提供支持，并专注于工业以太网领域。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业，之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。联系方式：[e-mail]。