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恶劣环境下的开关和多路复用器设计注意事项

星星科技指导员 来源:ADI 作者: Michael Manning 2023-01-29 15:39 次阅读

汽车、军事和航空电子应用中的恶劣环境将集成电路推向其技术极限,要求它们承受高电压和电流、极端温度和湿度、振动、辐射和各种其他应力。系统工程师正在迅速采用高性能电子设备,以提供安全、娱乐、远程信息处理、控制和人机界面等应用领域的特性和功能。精密电子产品的使用增加的代价是系统复杂性更高,更容易受到电气干扰,包括过电压、闩锁条件和静电放电(ESD)事件。由于这些应用中使用的电子电路要求高可靠性和对系统故障的高容忍度,因此设计人员必须同时考虑环境和所选组件的限制。

此外,制造商为每个集成电路指定绝对最大额定值;必须遵守这些额定值,以保持可靠运行并满足公布的规格。当超过绝对最大额定值时,无法保证运行参数;甚至针对ESD、过压或闩锁的内部保护也可能失效,从而导致器件(并可能进一步)损坏或故障。

本文介绍了工程师在将模拟开关和多路复用器设计成恶劣环境中使用的模块时面临的挑战,并提供了电路设计人员可用于保护脆弱部件的通用解决方案的建议。它还引入了一些新的集成开关和多路复用器,可提供增强的过压保护、闩锁抗扰度和故障保护,以应对常见的应力条件。

标准模拟开关架构

为了充分了解故障条件对模拟开关的影响,我们必须首先查看其内部结构和工作限制。

标准CMOS开关(图1)将N沟道和P沟道MOSFET用于开关元件、数字控制逻辑和驱动器电路。并联连接 N 沟道和 P 沟道 MOSFET 可实现双向操作,允许模拟输入电压扩展到电源轨,同时在整个信号范围内保持相当恒定的导通电阻。

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图1.标准模拟开关电路

源极、漏极和逻辑端子包括电源的箝位二极管,以提供ESD保护,如图1所示。在正常工作时反向偏置,除非信号超过电源电压,否则二极管不会通过电流。二极管的尺寸因工艺而异,但通常保持较小,以最大限度地减少正常工作时的漏电流。

模拟开关的控制如下:N沟道器件在正栅源电压时导通,在负栅源电压时关闭;P沟道器件由互补信号切换,因此与N沟道器件同时开启。通过将栅极驱动到相反的电源轨来打开和关闭开关。

当栅极电压固定时,任一晶体管的有效驱动电压与通过开关的模拟信号的极性和幅度成比例变化。图2中的虚线显示,当输入信号接近电源时,一个器件或另一个器件的通道将开始饱和,导致该器件的导通电阻急剧增加。然而,并联器件在电源轨电压附近相互补偿,因此结果是一个完全轨到轨的开关,在信号范围内具有相对恒定的导通电阻。

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图2.标准模拟开关RON图。

绝对最大额定值

应遵循器件数据手册中规定的开关功率要求,以确保最佳性能、操作和使用寿命。遗憾的是,电源故障、恶劣环境中的电压瞬变以及实际操作过程中发生的系统或用户故障可能导致无法始终如一地满足数据手册的建议。

每当模拟开关输入电压超过电源时,内部ESD保护二极管就会正向偏置,即使电源关闭,也允许大电流流动,从而导致超过额定值。正向偏置时,二极管的额定通过电流不大于几十毫安;如果该电流不受限制,它们可能会损坏。此外,故障造成的损坏不仅限于开关,还会影响下游电路。

数据手册的绝对最大额定值部分(图3)描述了器件可以承受的最大应力条件;重要的是要注意,这些只是压力等级。长时间暴露在绝对最大额定值条件下可能会影响器件的可靠性。设计人员应始终遵循良好的工程实践,在设计中增加余量。此处的示例来自标准开关/多路复用器数据手册。

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图3.数据手册的绝对最大额定值部分。

在此示例中,VDD到 V党卫军参数额定值为 18 V。额定值由开关的制造工艺和设计架构决定。任何高于18 V的电压都必须与开关完全隔离,否则将超过与工艺相关的元件的固有击穿电压,这可能会损坏器件并导致不可靠的运行。

适用于模拟开关输入(带或不带电源)的电压限制通常是由于ESD保护电路造成的,该电路可能因故障条件而失效。

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图4.模拟开关—ESD 保护二极管。

模拟和数字输入电压规格限制为超出 V 的 0.3 VDD和 V党卫军,而数字输入电压限制在高于 V 的 0.3 VDD和地面。当模拟输入超过电源时,内部ESD保护二极管变为正向偏置并开始导通。如绝对最大额定值部分所述,IN、S或D处的过压由内部二极管箝位。虽然超过30 mA的电流可以通过内部二极管而没有任何明显影响,但器件的可靠性和寿命可能会降低,并且随着时间的推移,可能会看到电迁移的影响,即导体中金属原子的逐渐位移。当大电流流过金属路径时,移动的电子与导体中的金属离子相互作用,迫使原子随着电子的流动而移动。随着时间的推移,这可能导致开路或短路。

在将开关设计到系统中时,重要的是要考虑由于组件故障、用户错误或环境影响而导致系统中可能发生的潜在故障。下一节将讨论超过标准模拟开关绝对最大额定值的故障条件如何损坏开关或导致其发生故障。

常见故障条件、系统应力和保护方法

故障情况可能由于许多不同的原因而发生;表1显示了一些最常见的系统应力及其实际来源:

表 1.

故障类型 故障原因
电压: • 断电
• 系统故障 • 热插拔连接和断开 • 电源排序问题
• 接线
错误

• 用户错误
闩锁: • 过压条件(如上所列) • 超过工艺额定值
• SEU(单事件翻转)
静电放电: • 存储/组装 • PCB组装

• 用户操作

有些压力可能无法预防。无论压力的来源如何,更重要的问题是如何应对其影响。下面的问题和答案涵盖了以下故障条件:过压、闩锁和ESD事件,以及一些常见的保护方法。

电压

什么是过压情况?

当模拟或数字输入条件超过绝对最大额定值时,会发生过压情况。以下三个示例重点介绍了设计人员在使用模拟开关时需要考虑的一些常见问题。

1. 模拟输入端存在信号时断电(图 5)。

在某些应用中,模块的电源丢失,而来自远程位置的输入信号可能仍然存在。断电时,电源轨可能接地,或者一个或多个电源轨可能浮动。如果电源接地,输入信号可能会正向偏置内部二极管,来自开关输入的电流将流向地,如果电流不受限制,则会损坏二极管。

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图5.故障路径。

如果断电导致电源悬空,则输入信号可通过内部二极管为器件供电。因此,开关(以及可能从其 V 运行的任何其他组件)都会导致DD电源 - 可能已通电。

2. 模拟输入的过压条件。

当模拟信号超过电源(VDD和 V党卫军),电源可被拉至故障信号的二极管压降以内。内部二极管变为正向偏置,电流从输入信号流向电源。过压信号也可能通过开关并损坏下游部件。通过考虑P沟道FET(图6)可以看出对此的解释。

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图6.场效应管开关。

P 沟道 FET 需要一个负栅源电压才能导通。开关门等于 V 时DD,栅源电压为正,因此开关关闭。在未上电电路中,开关栅极为0 V或输入信号超过VDD,信号将通过开关,因为现在有一个负的栅源电压。

3. 施加于由单电源供电的开关的双极性信号。

这种情况类似于前面描述的过压情况。当输入信号低于地电位时,就会发生故障,导致二极管从模拟输入到地,再到正向偏置和电流流动。当将偏置为0 V dc的交流信号施加到开关输入端时,寄生二极管可以在输入波形的负半周期的某些部分进行正向偏置。如果输入正弦波低于约–0.6 V,打开二极管并削波输入信号,就会发生这种情况,如图7所示。

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图7.裁剪。

处理过压情况的最佳方法是什么?

上面的三个示例是模拟输入超过电源的结果 - VDD, V党卫军应对这些情况的简单保护方法包括增加外部电阻器、电源中的肖特基二极管,以及在电源上增加阻断二极管。

为了限制电流,电阻与任何暴露于外部电源的开关通道串联放置(图 8)。电阻必须足够高,以将电流限制在大约30 mA(或绝对最大额定值指定)。明显的缺点是R的增加上, ∆R上、每个通道,并最终导致整个系统错误。此外,对于使用多路复用器的应用,漏极可能会出现关断通道源极上的故障,从而在其他通道上产生错误。

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图8.电阻二极管保护网络。

从模拟输入连接到电源的肖特基二极管提供保护,但代价是漏电和电容。二极管的工作原理是防止输入信号超过电源电压0.3 V至0.4 V,确保内部二极管不会正向偏置,电流不会流动。通过肖特基二极管转移电流可保护器件,但必须注意不要对外部元件施加过大压力。

第三种保护方法是将阻断二极管与电源串联(图 9),阻止电流流过内部二极管。输入端故障导致电源浮动,最正和最负的输入信号成为电源。只要电源不超过过程的绝对最大额定值,器件就应该可以承受故障。这种方法的缺点是,由于电源上的二极管,模拟信号范围缩小。此外,施加到输入端的信号可能会通过器件并影响下游电路。

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图9.与电源串联的阻断二极管。

虽然这些保护方法各有优缺点,但它们都需要外部元件、额外的电路板面积和额外的成本。这在具有高通道数的应用中尤其重要。为了消除对外部保护电路的需求,设计人员应寻找能够承受这些故障的集成保护解决方案。ADI公司提供多种开关/多路复用器系列,具有针对断电、过压和负信号的集成保护。

有哪些预打包解决方案可用?

ADI公司的ADG4612和ADG4613具有低导通电阻和失真特性,非常适合需要高精度的数据采集系统。导通电阻曲线在整个模拟输入范围内非常平坦,确保出色的线性度和低失真。

ADG4612系列提供断电保护、过压保护和负信号处理,所有情况都是标准CMOS开关无法处理的。

当没有电源时,开关保持关闭状态。开关输入具有高阻抗,限制了可能损坏开关或下游电路的电流。这在电源打开之前开关输入端可能存在模拟信号的应用中非常有用,或者用户无法控制电源时序。在关断条件下,最高16 V的信号电平被阻断。此外,如果模拟输入信号电平超过V,开关将关闭DD由 VT.

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图 10.ADG4612/ADG4613开关架构。

图10显示了该系列断电保护架构的框图。持续监控开关源极和漏极输入,并与电源电压 V 进行比较DD和 V党卫军.在正常工作时,该开关的行为与标准CMOS开关一样,具有全轨到轨操作。但是,在源极或漏极输入超过电源阈值电压的故障条件下,内部故障电路会检测过压情况并将开关置于隔离模式。

ADI公司还提供多路复用器和通道保护器,在器件上通电(±15 V)和+55 V/–40 V未供电时,可承受超出电源电压+40 V/–25 V的过压条件。这些器件专门设计用于处理断电条件引起的故障。

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图 11.高压故障保护开关架构。

这些器件包括串联的 N 沟道、P 沟道和 N 沟道 MOSFET,如图 11 所示。当其中一个模拟输入或输出超过电源时,其中一个MOSFET关断,多路复用器输入(或输出)显示为开路,输出被箝位到电源轨内,从而防止过压损坏多路复用器之后的任何电路。这可以保护多路复用器、其驱动的电路以及驱动多路复用器的传感器或信号源。当电源丢失(例如,通过电池断开或电源故障)或暂时断开(例如机架系统)时,所有晶体管都关闭,电流被限制在亚纳安级。ADG508F、ADG509F和ADG528F包括具有此类功能的8:1和差分4:1多路复用器。

ADG465单通道和ADG467八通道保护器具有与故障保护多路复用器相同的保护架构,但没有开关功能。上电时,通道始终处于导通状态,但在发生故障时,输出被箝位至电源电压以内。

闩锁

什么是闩锁条件?

闩锁可以定义为触发寄生器件在电源轨之间产生低阻抗路径。CMOS 器件中会出现闩锁:当两个寄生基极-发射极结中的一个瞬时正向偏置时,本征寄生器件会形成 PNPN SCR 结构(图 12)。SCR 接通,导致电源之间持续短路。触发闩锁条件很严重:在“最佳”情况下,它会导致设备故障,需要电源循环才能将设备恢复正常运行;在最坏的情况下,如果不限制电流,设备(以及可能的电源)可能会被破坏。

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图 12.寄生可控硅结构:a)器件b)等效电路。

前面描述的故障和过压情况是触发闩锁条件的常见原因之一。如果模拟或数字输入端的信号超过电源电压,则寄生晶体管导通。该晶体管的集电极电流在第二个寄生晶体管的基极发射极上引起压降,从而打开晶体管,并在电源之间产生自维持路径。图12(b)清楚地显示了Q1和Q2之间形成的SCR电路结构。

事件不需要持续很长时间即可触发闩锁。短暂的瞬变、尖峰或ESD事件可能足以导致器件进入闩锁状态。

当电源电压的应力超过器件的绝对最大额定值时,也可能发生闩锁,从而导致内部结击穿和SCR触发。

当电源电压升高到足以击穿内部结点,从而向SCR注入电流时,就会发生第二种触发机制。

处理闩锁情况的最佳方法是什么?

防止闩锁的保护方法包括与推荐用于解决过压情况的相同保护方法。如图8和图9所示,在信号路径中添加限流电阻、在电源中添加肖特基二极管以及与电源串联的二极管都有助于防止电流流入寄生晶体管,从而防止SCR触发。

具有多个电源的开关可能存在额外的电源排序问题,这些问题可能会违反绝对最大额定值。电源排序不当会导致内部二极管导通并触发闩锁。连接在电源之间的外部肖特基二极管将充分防止SCR导通,确保当多个电源施加到开关时,VDD始终在这些电源的二极管压降(肖特基为0.3 V)内,从而防止违反最大额定值。

有哪些预打包解决方案可用?

作为使用外部保护的替代方案,一些IC采用外延层工艺制造,这增加了SCR结构中的基板和N孔电阻。较高的电阻意味着需要更苛刻的应力来触发SCR,从而使器件不易发生闩锁。ADI公司的CMOS工艺就是一个例子,该工艺使ADG121x、ADG141x和ADG161x开关/多路复用器系列成为可能。 ®

对于需要防闩锁解决方案的应用,新型沟槽隔离开关和多路复用器可确保在高达 ±20 V 的高压工业应用中防止闩锁。ADG541x和ADG521x系列专为仪器仪表、汽车、航空电子设备和其他可能导致闩锁的恶劣环境而设计。该工艺使用在每个CMOS开关的N沟道和P沟道晶体管之间放置的绝缘氧化层(沟槽)。水平和垂直的氧化层在设备之间产生完全隔离。消除了结隔离开关中晶体管之间的寄生结,从而实现了完全防闩锁的开关。

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图 13.防止闩锁的沟槽隔离。

行业惯例是根据I/O引脚在过压条件下可以供应或吸收的过量电流量,在内部寄生电阻产生足够的压降以维持闩锁条件之前,对输入和输出对闩锁的敏感性进行分类。

通常认为100 mA的值就足够了。ADG5412防闩锁系列器件在1 ms脉冲下承受的压力为±500 mA,无故障。ADI公司的闩锁测试根据EIA/JEDEC-78(IC闩锁测试)进行。

ESD — 静电放电

什么是静电放电事件?

通常,器件暴露的最常见的电压瞬变类型ESD可以定义为两个物体之间以不同静电势的单一、快速、大电流静电电荷转移。我们经常在穿过绝缘表面(例如地毯)后遇到这种情况,存储电荷,然后触摸接地的设备,导致放电通过设备,在短时间内流动高电流。

ESD事件产生的高电压和高峰值电流可能会损坏IC。ESD事件对模拟开关的影响可能包括可靠性随时间推移而降低、开关性能下降、通道泄漏增加或器件完全故障。

ESD事件可能发生在IC生命周期的任何阶段,从制造到测试、处理、OEM用户和最终用户操作。为了评估IC对各种ESD事件的鲁棒性,确定了模拟以下模拟应力环境的电脉冲电路:人体模型(HBM),场感应带电器件模型(FICDM)和机器模型(MM)。

处理可持续发展教育事件的最佳方法是什么?

ESD预防方法,例如保持静电安全的工作区域,用于避免在生产,组装和存储过程中出现任何堆积物。这些环境以及在其中工作的个人通常可以仔细控制,但设备后来发现自己所处的环境可能不受控制。

模拟开关ESD保护通常采用从模拟和数字输入到电源的二极管形式,以及电源之间以二极管形式提供的电源保护,如图14所示。

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图 14.模拟开关ESD保护。

保护二极管箝位电压瞬变并将电流转移到电源。这些保护器件的缺点是,它们在正常工作时会向信号路径增加电容和泄漏,这在某些应用中可能是不希望的。

对于需要更强的ESD事件保护的应用,通常使用齐纳二极管、金属氧化物压敏电阻(MOV)、瞬态电压抑制器(TVS)和二极管等分立元件。但是,由于信号线上的额外电容和泄漏,它们可能导致信号完整性问题;这意味着设计工程师需要仔细考虑性能和可靠性之间的权衡。

有哪些预打包解决方案可用?

虽然绝大多数ADI开关/多路复用器产品至少满足±2 kV的HBM水平,但其他产品在鲁棒性方面超越了这一点,实现了高达±8 kV的HBM额定值。ADG541x系列产品的额定电压为±8 kV HBM、±1.5 kV FICDM额定值和±400 V MM额定值,兼具高压性能和鲁棒性,是业界的领导者。

结论

当开关或多路复用器输入来自远程源时,发生故障的可能性增加。由于系统电源排序设计不佳或需要热插拔插入,可能会发生过压情况。在恶劣的电气环境中,如果没有保护,由于连接不良或电感耦合引起的瞬态电压可能会损坏组件。电源故障也可能发生故障,其中电源连接丢失,而开关输入仍然暴露在模拟信号中。这些故障条件可能会导致重大损坏,可能导致损坏并需要昂贵的维修。虽然使用了许多保护设计技术来处理故障,但它们会增加额外的成本和电路板面积,并且通常需要在开关性能上进行权衡;即使实施了外部保护,下游电路也并不总是受到保护。由于模拟开关和多路复用器通常是模块最有可能出现故障的电子元件,因此了解它们在暴露于超过绝对最大额定值的条件时的行为非常重要。

开关/多路复用器产品(如此处提到的器件)具有集成保护功能,使设计人员无需外部保护电路,从而减少了电路板设计中组件的数量和成本。在通道数较高的应用中,节省的成本更为显著。

最终,使用具有故障保护、过压保护、闩锁抗性和高ESD额定值的开关,可以产生符合行业法规的稳健产品,并提高客户和最终用户的满意度。

审核编辑:郭婷

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