用过压故障保护模拟开关代替分立保护元件

设计鲁棒电子电路的挑战通常会导致设计中存在大量分立保护元件，并增加相关的成本、设计时间和空间。本文讨论故障保护开关架构，以及与传统分立保护解决方案相比的性能优势和其他优势。讨论了一种新的新型开关架构和专有的高压工艺，可提供业界领先的故障保护以及精密信号链所需的性能。ADI公司的新型故障保护开关和多路复用器产品组合（ADG52xxF和ADG54xxF）采用这种技术。

高性能信号链的模拟输入保护通常是系统设计人员的痛点。在模拟性能（如漏电流和导通电阻）与分立元件可以提供的保护级别之间通常存在重大权衡。

用过压保护开关和多路复用器代替分立保护元件，可以在模拟性能、鲁棒性和解决方案尺寸方面提供显著优势。过压保护元件位于敏感的下游电路和承受外部应力的输入之间。这方面的一个例子是过程控制信号链中的传感器输入端子。

本文详细介绍了过压事件引起的问题，讨论了传统的分立保护解决方案和相关缺点，介绍了过压保护模拟开关提供的解决方案，包括特性和系统优势，最后介绍了业界领先的ADI故障保护模拟开关产品组合。

过压问题—返璞归真

当施加到开关的输入信号超过电源（VDD或 V党卫军）超过二极管压降，IC内的ESD保护二极管变为正向偏置，电流从输入信号流向电源，如图1所示。该电流可能会损坏器件，如果电流不受限制，则可能会触发闩锁事件。

图1.过压电流路径。

如果交换机未通电，则可能发生以下几种情况：

如果电源浮动，输入信号可能最终为 V 供电DD通过ESD二极管的导轨。在这种情况下，VDD引脚进入输入信号的二极管压降内。这意味着开关将有效地供电，就像使用相同V的任何其他组件一样。DD轨。这可能导致信号链中器件的未知和不受控制的操作。

如果电源接地，PMOS 设备将以负 V 打开一般事务人员因此，开关会将削波信号传递到输出端，可能会损坏同样不通电的下游组件（参见图2）。注意：如果电源有二极管，它们将正向偏置并将信号削波至+0.7 V。

图2.电源接地时的过压信号。

分立式保护解决方案

传统上，设计人员使用分立保护元件解决输入保护问题。

大串联电阻用于限制故障期间的电流，电源轨上的肖特基或齐纳二极管箝位任何过压信号。多路复用信号链中这种保护方案的示例如图3所示。

但是，使用这些分立式保护元件有许多缺点。

串联电阻将增加多路复用器的建立时间并减慢整体建立时间。

保护二极管将引入额外的漏电流和变化的电容，这将影响测量的精度和线性度。

在浮动电源条件下不会有保护，因为电源的ESD二极管不会提供任何箝位保护。

图3.分立式保护解决方案。

传统交换机架构

图 4 中的图表概述了传统的交换机架构。开关元件（图4右侧）在开关元件的输入侧和输出侧的每个电源轨上都有ESD二极管。此处还显示了外部分立保护元件——用于限流的串联电阻和用于过压钳位的电源肖特基二极管。通常需要双向TVS，以便在更恶劣的环境中提供额外的保护。

图4.具有外部分立保护的传统交换机架构。

故障保护交换机架构

故障保护开关架构如图5所示。输入侧的ESD二极管被双向ESD单元取代，因此输入电压范围不再受电源轨ESD二极管的限制。因此，输入端可以看到高达过程限制的电压（ADI公司的新型故障保护开关为±55 V）。

在大多数情况下，ESD二极管仍位于输出侧，因为通常不需要从输出侧提供过压保护。

输入侧的ESD单元仍然可以提供出色的ESD保护。使用此类ESD单元的ADG5412F过压故障保护四通道SPST开关可实现5.5 kV HBM ESD额定值。

对于更严格的情况，例如 IEC ESD （IEC 61000-4-2）、EFT 或浪涌保护，可能仍然需要外部 TVS 或更小的限流电阻器。

图5.故障保护交换机架构。

在其中一个开关输入出现过压的情况下，受影响的通道关闭，输入变为高阻抗。其他通道的泄漏将保持较低，因此其余通道可以继续正常运行，对性能的影响最小。这使得系统速度/性能和过压保护之间的妥协非常小。

因此，故障保护开关可以大大简化信号链解决方案。在许多情况下，开关过压保护消除了对限流电阻和肖特基二极管的要求。整体系统性能不再受外部分立元件的限制，这些分立元件通常会在信号链中引入泄漏和失真。

ADI故障保护开关特性

ADI公司新的故障保护开关产品组合基于专有的高压工艺，可在通电和无电状态下提供高达±55 V的过压保护。这些器件为精密信号链的故障保护开关提供业界领先的性能。

图6.沟槽隔离工艺。

闩锁抗扰度

专有的高压工艺也是沟槽隔离的。在NDMOS和每个开关的PDMOS晶体管之间放置一个绝缘氧化层。消除了结隔离开关中晶体管之间的寄生结，结果是开关在所有情况下都是抗闩锁的。例如，ADG5412F通过了JESD78D闩锁测试，脉冲宽度为1秒，为±500 mA，这是规范中最严格的测试。

模拟性能

除了实现业界领先的鲁棒性（过压保护、高ESD额定值、上电时已知状态（无数字输入）外，新型ADI故障保护开关还具有业界领先的模拟性能。开关性能一如既往地需要在低导通电阻和低电容/电荷注入之间进行权衡。开关的选择通常取决于负载是高阻抗还是低阻抗。

低阻抗系统

低导通电阻器件通常用于低阻抗系统，其中开关的导通电阻需要保持在最低水平。在低阻抗系统中，例如电源或增益级，与负载并联的导通电阻和源阻抗会导致增益误差。即使在许多情况下可以校准增益误差，导通电阻（R上）在整个信号范围内或通道之间会产生无法校准的失真。因此，低电阻电路更容易受到R上平整度和R上不同渠道的差异。

图7中的曲线显示了其中一个新型故障保护开关在整个信号范围内的导通电阻。除了实现非常低的导通电阻外，R上通道之间的平坦度和匹配也非常出色。这些器件具有获得专利的开关驱动器设计，可确保恒定的 V一般事务人员电压和提供平坦的R上整个输入电压范围内的性能。权衡是略微缩小了可以实现最佳性能的信号范围，这可以从R的形状中看出。上情节。由于此 R，可以有显着的系统优势上对 R 敏感的应用程序中的性能上变化或 THD。

图7.故障保护开关导通电阻。

ADG5404F是一款新型闩锁、抗压、过压故障保护多路复用器。与标准器件相比，闩锁抗隔离部件和过压保护部件通常具有更高的导通电阻和较差的导通电阻平坦度。但是，由于常数 V一般事务人员ADG5404F设计中使用的方案，R上实际上，平坦度甚至优于ADG1404（业界领先的低导通电阻）和ADG5404（闩锁免疫，但没有过压保护）。在许多应用中，例如RTD温度测量，R上平坦度实际上比导通电阻的绝对值更重要，因此故障保护开关有可能提高这些系统的性能。

低阻抗系统的典型故障模式是在发生故障时漏极输出开路。

高阻抗系统

低泄漏、低电容、低电荷注入开关最常用于高阻抗系统。由于多路复用器输出端的放大器负载，数据采集系统通常具有高阻抗。

漏电是高阻抗电路中误差的主要来源。任何漏电流都可能导致明显的测量误差。

低电容和低电荷注入对于加快建立速度也至关重要。这允许数据采集系统中的最大数据吞吐量。

新型ADI故障保护开关的漏电性能非常出色。在正常工作中，漏电流在低nA范围内，这对于许多应用中的精确测量至关重要。

至关重要的是，即使其中一个输入通道出现故障，泄漏性能也非常好。这意味着可以在其他通道上继续测量，直到故障修复，从而减少系统停机时间。ADG5248F 8：1多路复用器的过压漏电流如图8所示。

高阻抗系统的典型故障模式是在发生故障时将漏极输出拉至电源轨。

图8.ADG5248F过压漏电流与温度的关系

故障诊断

大多数新型ADI故障保护开关还具有数字故障引脚。FF引脚是一个通用故障标志，表示其中一个输入通道出现故障。特定故障引脚（或SF引脚）是可用于调试哪个特定输入出现故障的引脚。

这些引脚可用于系统中的故障诊断。FF引脚首先提醒用户故障。然后，用户可以循环切换数字输入，SF 引脚将识别哪个或多个特定开关出现故障。

系统优势

新的故障保护开关产品组合的系统优势如图9所示。对于系统设计人员来说，无论是在确保精密信号链中的最佳模拟性能方面，还是在系统鲁棒性方面，其优势都是巨大的。

图9.ADI故障保护开关—特性和系统优势。

与分立式保护组件相比，其优势显而易见，并且已经详细描述了。专有的高压工艺和新颖的开关架构也使新的ADI故障保护开关系列具有比竞争解决方案更多的优势。

行业领先的研发上用于精密测量的平坦度

业界领先的故障漏电流，允许在不受故障影响的其他通道上继续运行（比竞争解决方案好 10×）

带有辅助故障电源的器件，可实现精确的故障阈值，同时仍保持最佳模拟开关性能

用于系统故障诊断的智能故障标志

应用示例

图10所示的第一个应用示例是一个过程控制信号链，其中微控制器监视许多传感器，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很长的电缆末端，沿着电缆的长度可能会出现故障。

本例中的多路复用器是ADG5249F，它针对低电容和低泄漏进行了优化。低泄漏对于这些类型的小信号传感器测量非常重要。

该开关采用±15 V电源供电，次级故障电源配置为5 V和GND，以保护下游PGA和ADC。

主传感器信号通过多路复用器传递到PGA和ADC，而故障诊断直接发送到微控制器，以便在发生故障时提供中断。因此，用户可以收到故障情况警报，并确定哪个传感器出现故障。然后可以派技术人员调试故障，并在必要时更换出现故障的传感器或电缆。

由于具有业界领先的低故障泄漏规格，即使其中一个传感器关闭并等待更换，也可以继续监控其他传感器。如果没有如此低的故障泄漏，一个通道上的故障可能会使所有其他通道无法使用，直到故障修复。

图 10.过程控制应用示例。

图11中的第二个应用示例是数据采集信号链的一部分，其中ADG5462F通道保护器将增加价值。在这种情况下，PGA具有±15 V电源轨，而ADC下游的输入信号范围为0 V至5 V。

通道保护器位于PGA和ADC之间。它使用 ±15 V 电源轨作为主电源以实现最佳导通电阻，并使用 0 V 和 5 V 作为次级电源轨。ADG5462F允许信号在正常工作时通过，但会将PGA的任何过压输出箝位至0 V至5 V之间，以保护ADC。因此，与前面的应用示例一样，目标信号在平坦的R中存在偏差。上运营区域。

图 11.数据采集应用示例。

总结

用过压保护开关和多路复用器取代传统的分立保护元件，可以在精密信号链中提供许多系统优势。除了节省电路板空间外，更换分立元件的性能优势也非常显著。

ADI公司提供各种过压保护开关和多路复用器。表 1 和表 2 中列出了最新的故障保护器件系列。它们建立在专有的高压和闩锁免疫工艺之上，为精密信号链提供行业领先的性能和特性。

投资组合摘要

表 1.低导通电阻系列故障保护开关

产品	配置	故障触发阈值	输出故障模式	故障标志
ADG5412F ADG5413F	四刀单刀单掷	主要用品	开路	一般标志
ADG5412BF ADG5413BF	四通道单刀和双向过压保护	主要用品	开路	一般标志
ADG5462F	四通道保护器	二次供应	上拉至次级电源或开路（默认）	一般标志
ADG5404F	4：1 多路复用器	主要用品	上拉至次级电源或开路（默认）	一般标志和特定标志
ADG5436F	双单刀双掷	主要用品	上拉至次级电源或开路（默认）	一般标志和特定标志

表 2.低电容/低电荷注入系列故障保护开关

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	主要用品	拉到导轨	没有
ADG5209F	差分 4：1 多路复用器	主要用品	拉到导轨	没有
ADG5248F	8：1 多路复用器	二次供应	拉至次级电源	一般标志和特定标志
ADG5249F	差分 4：1 多路复用器	二次供应	拉至次级电源	一般标志和特定标志
ADG5243F	三重单刀双掷	二次供应	拉至次级电源	一般标志和特定标志

审核编辑：郭婷