設(shè)計魯棒電子電路的挑戰(zhàn)通常會導(dǎo)致設(shè)計中存在大量分立保護(hù)元件，并增加相關(guān)的成本、設(shè)計時間和空間。本文討論故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)，以及與傳統(tǒng)分立保護(hù)解決方案相比的性能優(yōu)勢和其他優(yōu)勢。討論了一種新的新型開關(guān)架構(gòu)和專有的高壓工藝，可提供業(yè)界領(lǐng)先的故障保護(hù)以及精密信號鏈所需的性能。ADI公司的新型故障保護(hù)開關(guān)和多路復(fù)用器產(chǎn)品組合（ADG52xxF和ADG54xxF）采用這種技術(shù)。

高性能信號鏈的模擬輸入保護(hù)通常是系統(tǒng)設(shè)計人員的痛點。在模擬性能（如漏電流和導(dǎo)通電阻）與分立元件可以提供的保護(hù)級別之間通常存在重大權(quán)衡。

用過壓保護(hù)開關(guān)和多路復(fù)用器代替分立保護(hù)元件，可以在模擬性能、魯棒性和解決方案尺寸方面提供顯著優(yōu)勢。過壓保護(hù)元件位于敏感的下游電路和承受外部應(yīng)力的輸入之間。這方面的一個例子是過程控制信號鏈中的傳感器輸入端子。

本文詳細(xì)介紹了過壓事件引起的問題，討論了傳統(tǒng)的分立保護(hù)解決方案和相關(guān)缺點，介紹了過壓保護(hù)模擬開關(guān)提供的解決方案，包括特性和系統(tǒng)優(yōu)勢，最后介紹了業(yè)界領(lǐng)先的ADI故障保護(hù)模擬開關(guān)產(chǎn)品組合。

過壓問題—返璞歸真

當(dāng)施加到開關(guān)的輸入信號超過電源（VDD或 V黨衛(wèi)軍）超過二極管壓降，IC內(nèi)的ESD保護(hù)二極管變?yōu)檎蚱茫?a href="http://www.socialnewsupdate.com/tags/電流/" target="_blank">電流從輸入信號流向電源，如圖1所示。該電流可能會損壞器件，如果電流不受限制，則可能會觸發(fā)閂鎖事件。

圖1.過壓電流路徑。

如果交換機未通電，則可能發(fā)生以下幾種情況：

如果電源浮動，輸入信號可能最終為 V 供電DD通過ESD二極管的導(dǎo)軌。在這種情況下，VDD引腳進(jìn)入輸入信號的二極管壓降內(nèi)。這意味著開關(guān)將有效地供電，就像使用相同V的任何其他組件一樣。DD軌。這可能導(dǎo)致信號鏈中器件的未知和不受控制的操作。

如果電源接地，PMOS 設(shè)備將以負(fù) V 打開一般事務(wù)人員因此，開關(guān)會將削波信號傳遞到輸出端，可能會損壞同樣不通電的下游組件（參見圖2）。注意：如果電源有二極管，它們將正向偏置并將信號削波至+0.7 V。

圖2.電源接地時的過壓信號。

分立式保護(hù)解決方案

傳統(tǒng)上，設(shè)計人員使用分立保護(hù)元件解決輸入保護(hù)問題。

大串聯(lián)電阻用于限制故障期間的電流，電源軌上的肖特基或齊納二極管箝位任何過壓信號。多路復(fù)用信號鏈中這種保護(hù)方案的示例如圖3所示。

但是，使用這些分立式保護(hù)元件有許多缺點。

串聯(lián)電阻將增加多路復(fù)用器的建立時間并減慢整體建立時間。

保護(hù)二極管將引入額外的漏電流和變化的電容，這將影響測量的精度和線性度。

在浮動電源條件下不會有保護(hù)，因為電源的ESD二極管不會提供任何箝位保護(hù)。

圖3.分立式保護(hù)解決方案。

傳統(tǒng)交換機架構(gòu)

圖 4 中的圖表概述了傳統(tǒng)的交換機架構(gòu)。開關(guān)元件（圖4右側(cè)）在開關(guān)元件的輸入側(cè)和輸出側(cè)的每個電源軌上都有ESD二極管。此處還顯示了外部分立保護(hù)元件——用于限流的串聯(lián)電阻和用于過壓鉗位的電源肖特基二極管。通常需要雙向TVS，以便在更惡劣的環(huán)境中提供額外的保護(hù)。

圖4.具有外部分立保護(hù)的傳統(tǒng)交換機架構(gòu)。

故障保護(hù)交換機架構(gòu)

故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)如圖5所示。輸入側(cè)的ESD二極管被雙向ESD單元取代，因此輸入電壓范圍不再受電源軌ESD二極管的限制。因此，輸入端可以看到高達(dá)過程限制的電壓（ADI公司的新型故障保護(hù)開關(guān)為±55 V）。

在大多數(shù)情況下，ESD二極管仍位于輸出側(cè)，因為通常不需要從輸出側(cè)提供過壓保護(hù)。

輸入側(cè)的ESD單元仍然可以提供出色的ESD保護(hù)。使用此類ESD單元的ADG5412F過壓故障保護(hù)四通道SPST開關(guān)可實現(xiàn)5.5 kV HBM ESD額定值。

對于更嚴(yán)格的情況，例如 IEC ESD （IEC 61000-4-2）、EFT 或浪涌保護(hù)，可能仍然需要外部 TVS 或更小的限流電阻器。

圖5.故障保護(hù)交換機架構(gòu)。

在其中一個開關(guān)輸入出現(xiàn)過壓的情況下，受影響的通道關(guān)閉，輸入變?yōu)楦咦杩?。其他通道的泄漏將保持較低，因此其余通道可以繼續(xù)正常運行，對性能的影響最小。這使得系統(tǒng)速度/性能和過壓保護(hù)之間的妥協(xié)非常小。

因此，故障保護(hù)開關(guān)可以大大簡化信號鏈解決方案。在許多情況下，開關(guān)過壓保護(hù)消除了對限流電阻和肖特基二極管的要求。整體系統(tǒng)性能不再受外部分立元件的限制，這些分立元件通常會在信號鏈中引入泄漏和失真。

ADI故障保護(hù)開關(guān)特性

ADI公司新的故障保護(hù)開關(guān)產(chǎn)品組合基于專有的高壓工藝，可在通電和無電狀態(tài)下提供高達(dá)±55 V的過壓保護(hù)。這些器件為精密信號鏈的故障保護(hù)開關(guān)提供業(yè)界領(lǐng)先的性能。

圖6.溝槽隔離工藝。

閂鎖抗擾度

專有的高壓工藝也是溝槽隔離的。在NDMOS和每個開關(guān)的PDMOS晶體管之間放置一個絕緣氧化層。消除了結(jié)隔離開關(guān)中晶體管之間的寄生結(jié)，結(jié)果是開關(guān)在所有情況下都是抗閂鎖的。例如，ADG5412F通過了JESD78D閂鎖測試，脈沖寬度為1秒，為±500 mA，這是規(guī)范中最嚴(yán)格的測試。

模擬性能

除了實現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的魯棒性（過壓保護(hù)、高ESD額定值、上電時已知狀態(tài)（無數(shù)字輸入）外，新型ADI故障保護(hù)開關(guān)還具有業(yè)界領(lǐng)先的模擬性能。開關(guān)性能一如既往地需要在低導(dǎo)通電阻和低電容/電荷注入之間進(jìn)行權(quán)衡。開關(guān)的選擇通常取決于負(fù)載是高阻抗還是低阻抗。

低阻抗系統(tǒng)

低導(dǎo)通電阻器件通常用于低阻抗系統(tǒng)，其中開關(guān)的導(dǎo)通電阻需要保持在最低水平。在低阻抗系統(tǒng)中，例如電源或增益級，與負(fù)載并聯(lián)的導(dǎo)通電阻和源阻抗會導(dǎo)致增益誤差。即使在許多情況下可以校準(zhǔn)增益誤差，導(dǎo)通電阻（R上）在整個信號范圍內(nèi)或通道之間會產(chǎn)生無法校準(zhǔn)的失真。因此，低電阻電路更容易受到R上平整度和R上不同渠道的差異。

圖7中的曲線顯示了其中一個新型故障保護(hù)開關(guān)在整個信號范圍內(nèi)的導(dǎo)通電阻。除了實現(xiàn)非常低的導(dǎo)通電阻外，R上通道之間的平坦度和匹配也非常出色。這些器件具有獲得專利的開關(guān)驅(qū)動器設(shè)計，可確保恒定的 V一般事務(wù)人員電壓和提供平坦的R上整個輸入電壓范圍內(nèi)的性能。權(quán)衡是略微縮小了可以實現(xiàn)最佳性能的信號范圍，這可以從R的形狀中看出。上情節(jié)。由于此 R，可以有顯著的系統(tǒng)優(yōu)勢上對 R 敏感的應(yīng)用程序中的性能上變化或 THD。

圖7.故障保護(hù)開關(guān)導(dǎo)通電阻。

ADG5404F是一款新型閂鎖、抗壓、過壓故障保護(hù)多路復(fù)用器。與標(biāo)準(zhǔn)器件相比，閂鎖抗隔離部件和過壓保護(hù)部件通常具有更高的導(dǎo)通電阻和較差的導(dǎo)通電阻平坦度。但是，由于常數(shù) V一般事務(wù)人員ADG5404F設(shè)計中使用的方案，R上實際上，平坦度甚至優(yōu)于ADG1404（業(yè)界領(lǐng)先的低導(dǎo)通電阻）和ADG5404（閂鎖免疫，但沒有過壓保護(hù)）。在許多應(yīng)用中，例如RTD溫度測量，R上平坦度實際上比導(dǎo)通電阻的絕對值更重要，因此故障保護(hù)開關(guān)有可能提高這些系統(tǒng)的性能。

低阻抗系統(tǒng)的典型故障模式是在發(fā)生故障時漏極輸出開路。

高阻抗系統(tǒng)

低泄漏、低電容、低電荷注入開關(guān)最常用于高阻抗系統(tǒng)。由于多路復(fù)用器輸出端的放大器負(fù)載，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常具有高阻抗。

漏電是高阻抗電路中誤差的主要來源。任何漏電流都可能導(dǎo)致明顯的測量誤差。

低電容和低電荷注入對于加快建立速度也至關(guān)重要。這允許數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的最大數(shù)據(jù)吞吐量。

新型ADI故障保護(hù)開關(guān)的漏電性能非常出色。在正常工作中，漏電流在低nA范圍內(nèi)，這對于許多應(yīng)用中的精確測量至關(guān)重要。

至關(guān)重要的是，即使其中一個輸入通道出現(xiàn)故障，泄漏性能也非常好。這意味著可以在其他通道上繼續(xù)測量，直到故障修復(fù)，從而減少系統(tǒng)停機時間。ADG5248F 8：1多路復(fù)用器的過壓漏電流如圖8所示。

高阻抗系統(tǒng)的典型故障模式是在發(fā)生故障時將漏極輸出拉至電源軌。

圖8.ADG5248F過壓漏電流與溫度的關(guān)系

故障診斷

大多數(shù)新型ADI故障保護(hù)開關(guān)還具有數(shù)字故障引腳。FF引腳是一個通用故障標(biāo)志，表示其中一個輸入通道出現(xiàn)故障。特定故障引腳（或SF引腳）是可用于調(diào)試哪個特定輸入出現(xiàn)故障的引腳。

這些引腳可用于系統(tǒng)中的故障診斷。FF引腳首先提醒用戶故障。然后，用戶可以循環(huán)切換數(shù)字輸入，SF 引腳將識別哪個或多個特定開關(guān)出現(xiàn)故障。

系統(tǒng)優(yōu)勢

新的故障保護(hù)開關(guān)產(chǎn)品組合的系統(tǒng)優(yōu)勢如圖9所示。對于系統(tǒng)設(shè)計人員來說，無論是在確保精密信號鏈中的最佳模擬性能方面，還是在系統(tǒng)魯棒性方面，其優(yōu)勢都是巨大的。

圖9.ADI故障保護(hù)開關(guān)—特性和系統(tǒng)優(yōu)勢。

與分立式保護(hù)組件相比，其優(yōu)勢顯而易見，并且已經(jīng)詳細(xì)描述了。專有的高壓工藝和新穎的開關(guān)架構(gòu)也使新的ADI故障保護(hù)開關(guān)系列具有比競爭解決方案更多的優(yōu)勢。

行業(yè)領(lǐng)先的研發(fā)上用于精密測量的平坦度

業(yè)界領(lǐng)先的故障漏電流，允許在不受故障影響的其他通道上繼續(xù)運行（比競爭解決方案好 10×）

帶有輔助故障電源的器件，可實現(xiàn)精確的故障閾值，同時仍保持最佳模擬開關(guān)性能

用于系統(tǒng)故障診斷的智能故障標(biāo)志

應(yīng)用示例

圖10所示的第一個應(yīng)用示例是一個過程控制信號鏈，其中微控制器監(jiān)視許多傳感器，如RTD或熱電偶溫度傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器。在過程控制應(yīng)用中，傳感器可能連接在工廠中很長的電纜末端，沿著電纜的長度可能會出現(xiàn)故障。

本例中的多路復(fù)用器是ADG5249F，它針對低電容和低泄漏進(jìn)行了優(yōu)化。低泄漏對于這些類型的小信號傳感器測量非常重要。

該開關(guān)采用±15 V電源供電，次級故障電源配置為5 V和GND，以保護(hù)下游PGA和ADC。

主傳感器信號通過多路復(fù)用器傳遞到PGA和ADC，而故障診斷直接發(fā)送到微控制器，以便在發(fā)生故障時提供中斷。因此，用戶可以收到故障情況警報，并確定哪個傳感器出現(xiàn)故障。然后可以派技術(shù)人員調(diào)試故障，并在必要時更換出現(xiàn)故障的傳感器或電纜。

由于具有業(yè)界領(lǐng)先的低故障泄漏規(guī)格，即使其中一個傳感器關(guān)閉并等待更換，也可以繼續(xù)監(jiān)控其他傳感器。如果沒有如此低的故障泄漏，一個通道上的故障可能會使所有其他通道無法使用，直到故障修復(fù)。

圖 10.過程控制應(yīng)用示例。

圖11中的第二個應(yīng)用示例是數(shù)據(jù)采集信號鏈的一部分，其中ADG5462F通道保護(hù)器將增加價值。在這種情況下，PGA具有±15 V電源軌，而ADC下游的輸入信號范圍為0 V至5 V。

通道保護(hù)器位于PGA和ADC之間。它使用 ±15 V 電源軌作為主電源以實現(xiàn)最佳導(dǎo)通電阻，并使用 0 V 和 5 V 作為次級電源軌。ADG5462F允許信號在正常工作時通過，但會將PGA的任何過壓輸出箝位至0 V至5 V之間，以保護(hù)ADC。因此，與前面的應(yīng)用示例一樣，目標(biāo)信號在平坦的R中存在偏差。上運營區(qū)域。

圖 11.數(shù)據(jù)采集應(yīng)用示例。

總結(jié)

用過壓保護(hù)開關(guān)和多路復(fù)用器取代傳統(tǒng)的分立保護(hù)元件，可以在精密信號鏈中提供許多系統(tǒng)優(yōu)勢。除了節(jié)省電路板空間外，更換分立元件的性能優(yōu)勢也非常顯著。

ADI公司提供各種過壓保護(hù)開關(guān)和多路復(fù)用器。表 1 和表 2 中列出了最新的故障保護(hù)器件系列。它們建立在專有的高壓和閂鎖免疫工藝之上，為精密信號鏈提供行業(yè)領(lǐng)先的性能和特性。

投資組合摘要

表 1.低導(dǎo)通電阻系列故障保護(hù)開關(guān)

表 2.低電容/低電荷注入系列故障保護(hù)開關(guān)

審核編輯：郭婷