为敏感电子信号输入提供过压保护的新型可靠方法

对电子系统鲁棒性的高要求，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虑因素和挑战，因为通常需要额外的组件来保护系统免受过压事件的影响，但它们经常影响，在最坏的情况下，甚至可能使信号失真。除此之外，这些组件会产生额外的成本并导致空间限制。因此，在设计保护电路时，传统解决方案通常需要在系统精度和保护级别之间进行折衷。

通常，常见且简单的设计方法使用外部保护二极管，通常是瞬态电压抑制器（TVS）二极管，箝位在信号线和电源或接地之间。TVS二极管是有利的，因为它们可以对临时电压尖峰做出瞬时反应。这种类型的外部过压保护如图1的左侧所示。

图1.传统的过压保护设计，带有额外的分立元件。

如果出现正瞬态电压脉冲，则用电流通过二极管D1箝位至VDD。因此，电压被限制为VDD加上二极管正向电压。如果脉冲为负且小于VSS，则同样适用，但通过D2将其钳位到VSS。但是，如果过电压引起的漏电流不受限制，则可能会损坏二极管。因此，路径中还有一个限流电阻。对于非常恶劣的环境条件，通常使用输入侧双向TVS二极管来增强保护。

这种类型的保护电路的缺点是，例如，增加边沿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，它不提供任何保护。

实际组件，如模数转换器（ADC）、运算放大器等，通常具有集成保护功能。这可以包括一个交换机架构，如图1右侧所示。图1还显示，两个电源轨上都有输入侧和输出侧保护二极管。这种设置的缺点是，当浮动信号处于断电状态（IC未上电）时，开关可能像处于活动状态一样工作（即使设置为OFF），因为电流将流过二极管和电源轨。这允许电流通过，导致信号线失去保护。

故障保护交换机架构

应对上述挑战的一种解决方案是采用故障保护开关架构，辅以双向ESD单元，如图2所示。现在，ESD单元通过不断比较输入电压与VDD或VSS来箝位电压瞬变，而不是输入侧TVS二极管。在永久过压的情况下，下游开关自动打开。输入电压不再受箝位在电源轨上的保护二极管的限制。现在的限制因素是开关的最大额定电压。更高的系统稳健性和可靠性是额外的优势。对实际信号及其准确性几乎没有影响。此外，不需要额外的限流电阻，因为当开关断开时漏电流非常低。

图2.具有集成双向ESD单元的过压保护。

这种类型的输入结构是ADI公司（ADI）的四通道SPST（单刀、单掷）开关ADG5412F的特征。无论现有电源如何，该开关都允许高达 ±55 V 的永久过压。集成在四个通道上的每一个通道上的ESD单元可箝位高达5.5 kV的电压瞬变。在过压情况下，只有受影响的通道被打开，其他通道继续正常工作。

结论

由于这种类型的过压保护开关，电路可以大大简化。与传统的分立解决方案相比，无论是在保证精确信号链中的最佳开关性能和鲁棒性方面，还是在空间优化方面，其优势都是多方面的。因此，ADG5412F提供的过压保护特别适合恶劣环境中的高精度测量应用。

审核编辑：郭婷