设计稳健的电子电路是一项挑战，通常会使生成的设计包含大量分离的保护元器件，并会增加关联的成本、设计时间和空间。云汉芯城相关技术人员在本文中讨论了故障保护开关体系结构，以及与传统的分立元件保护解决方案相比，此体系结构所提供的性能好处和其他好处。此外，还讨论了创新的开关体系结构和专利高压工艺，这些可提供行业先进的故障保护以及精确信号链所需的性能。ADI 的新的故障保护开关及多路复用器(ADG52xxF 和 ADG54xxF)的组合采用了这项技术。

对于系统设计人员而言，对高性能信号链的模拟输入保护通常是一个难点。模拟性能(漏泄、导通电阻等)和离散的元器件可提供的保护级别之间通常存在明显的折衷。

将离散的保护元器件替换为超电压保护开关及多路复用器可大大提高模拟性能、稳健性和解决方案规模。超电压保护元器件位于灵敏的下游电路与接触外应力的输入之间。其中一个示例是工艺控制信号链中的传感器输入终端。

本文详述了超电压事件导致的问题，讨论了传统离散的保护解决方案和关联的缺点，介绍了超电压保护模拟开关提供的解决方案(包括功能和系统优势)，介绍了行业先进的 ADI 故障保护模拟开关组合。

超电压问题 – 回到基础

当应用于开关的输入信号超过电源(VDD 或 VSS)多个二极管压降时，IC 内的 ESD 防护二极管将变成正向偏压且电流将从输入信号流向电源，如图 1 中所示。此电流可能损坏部件并且可能在未限制电流时触发锁存事件

图 1. 超电压电流通路

如果未对开关供电，则可能出现几种情况：

1.如果电源浮动，输入信号可能停止通过 ESD 二极管为 VDD 导轨供电。在这种情况下，VDD 引脚将进入输入信号的二极管压降内。这意味着，与使用同一 VDD 导轨的任何其他元器件一样，将为开关有效供电。这可能导致对信号链中的设备执行未知和不受控制的操作。

2.如果电源接地，PMOS 设备将通过带负电的 VGS 打开，以便开关将限幅信号传递到输出，这可能损坏也处于未供电状态的下游元器件(见图 2)。注意：如果电源有二极管，则二极管将正向偏压并将信号削弱到 +0.7V。

图 2. 电源接地时的超电压信号

离散的保护解决方案

设计人员通常会采用离散的保护元器件来解决输入保护问题。

大型串联电阻器用于在有故障期间限制电流，并且电源导轨的 SHOTTKY 或 ZENER 二极管将箝住任何超电压信号。图 3 中显示了多路复用信号链中此类保护方案的示例。

但是，使用这些离散的保护元器件有许多缺点。

1.串联电阻器将增加多路复用器的设定时间并会减慢整体设定时间。

2.防护二极管将引入其他漏泄电流和不同的电容，这将影响测量的精度和线性

3.浮动供电情况下将无任何保护，因为电源的 ESD 二极管不会提供任何箝位保护。

图 3. 离散的保护解决方案

传统的开关体系结构

图 4 中的关系图概述了传统的开关体系结构。开关元器件(图 4 的右侧)的输入端和输出端都有连接每个电源导轨的 ESD 二极管。外部离散的保护元器件如此处所示 - 串联电阻器用于限制电流，而电源的 SHOTTKY 二极管用于超电压钳制。对于苛刻环境下的额外保护，通常需要双向 TVS。

图 4. 具有外部离散保护的传统开关体系结构

故障保护开关体系结构

图 5 中显示了故障保护开关体系结构。输入端的 ESD 二极管将替换为双向 ESD 光电元件，因此输入电压范围不再受电源导轨的 ESD 二极管的限制。因此，输入会发现电压高达工艺的限制(对于 ADI 的新故障保护开关，限制为 +/-55V)。

在大多数情况下，ESD 二极管仍位于输出端，因为通常输出端没有超电压保护要求。

输入端的 ESD 光电元件仍能提供出色的 ESD 保护。ADG5412F 超电压故障保护四向 SPST 开关(此开关使用该类型的 ESD 光电元件)实现了 5.5kV HBM ESD 额定。

在更严格的情况下，可能仍有外部 TVS 或小电流限制电阻器要求，如 IEC ESD (IEC 61000-4-2)、EFT 或电涌保护。

图 5. 故障保护开关体系结构

对于某个开关输入的超电压情况，受影响的通道将关闭并且输入将达到高阻抗。其他通道上的漏泄仍保持较低水平，因此剩余通道可继续正常运行，并且对性能的影响极小。这允许系统速度/性能和超电压保护之间存在非常小的妥协。

故障保护开关将大大简化信号链解决方案。在许多情况下，开关超电压保护消除了对电流限制电阻器和 Schottky 二极管的需求。整体系统性能不再受外部离散元器件的限制，这通常不会将漏泄和失真引入信号链。

ADI 故障保护开关功能

来自 ADI 的新的故障保护开关组合以专利高压工艺为基础，可在供电和断电状态下提供高达 +/-55V 的超电压保护。这些部件使精确信号链的故障保护开关能够获得行业先进的性能。

抗锁存

专利高压工艺也是槽隔离的。每个开关的 NDMOS 和 PDMOS 晶体管之间均有一个绝缘氧化层。消除了结隔离开关中的晶体管之间出现的寄生结，并获得在所有环境下抗锁存的开关。例如，ADG5412F 将在 1 秒脉冲宽度下通过 +/-500mA 的 JESD78D 锁存测试，这项测试是规格较严的测试。

图 6. 槽隔离工艺

模拟性能

新的 ADI 故障保护开关不仅实现了行业先进的稳健性(超电压保护、高 ESD 额定、在没有数字输入的情况下通电时的已知状态)，而且具有行业先进的模拟性能。开关性能始终是低导通电阻和低电容/电荷注入之间的权衡。开关选择取决于负载是高阻抗还是低阻抗。

低阻抗系统

低阻抗系统中通常使用低导通电阻部件，其中开关的导通电阻需要保持在较低水平。在电源或增益级等低阻抗系统中，与负载并行的导通电阻和电源阻抗可能导致增益误差。即使增益误差在许多情况下是可以校准的，信号范围中或通道之间的导通电阻 (RON) 变化将产生无法校准的失真。因此，由于通道之间的 RON 平坦度和 RON 变化，低电阻电路更易于产生失真误差。

图 7 中的图表显示跨信号范围的某个新故障保护开关的导通电阻。不仅实现了非常低的导通电阻，而且通道之间的 RON 平坦度和匹配度也很高。部件具有专利的开关驱动器设计，可确保跨输入电压范围的恒定 VGS 电压并交付平稳的 RON 性能。此权衡稍微减小了信号范围，以便实现比较好的性能，这一点可从 RON 图表的形状看出来。由于对 RON 变化或 THD 敏感的应用中的此 RON 性能，因此可能获得大量系统好处。

ADG5404F 是新的抗锁存、超电压故障保护多路复用器。与标准部件相比，抗锁存部件和超电压保护部件通常具有更高的导通电阻和更低的导通电阻平坦度。但是，由于 ADG5404F 设计中使用了恒定 VGS 方案，RON 平坦度实际上超过 ADG1404(行业先进的低导通电阻)和 ADG5404(抗锁存，但不具超电压保护)。在许多应用(如 RTD 温度测量)中，RON 平坦度实际上比导通电阻的绝对值更重要，因此故障保护开关为提高这些系统性能带来了可能性。

在出现故障的情况下，低阻抗系统的典型故障模式适用于至开路的漏极输出。

图 7. 故障保护开关导通电阻

高阻抗系统

高阻抗系统中常使用低漏泄、低电容、低电荷注入开关。由于多路复用器输出上的放大器负载，数据采集系统通常是高阻抗的系统。

漏泄是高阻抗电路的主要误差源。任何漏泄电流均可能产生明显的测量误差。

低电容和低电荷注入对于更快的设定也很重要。这可实现数据采集系统中的较大数据吞吐量。

新的 ADI 故障保护开关的漏泄性能非常出色。在标准操作中，漏泄电流处于低 nA 范围，这对于在许多应用中进行准确测量很重要。

关键的一点是，漏泄性能甚至在某个输入通道出现故障时也非常出色。这意味着，测量可在其他通道上继续直至修复故障，从而减少系统停机时间。图 8 显示了 ADG5248F 8:1 多路复用器的超电压漏泄电流。

在出现故障时，高阻抗系统的典型故障模式适用于拉至电源导轨的漏极输出。

图 8. ADG5248F 超电压漏泄电流与温度

故障诊断

大多数新 ADI 故障保护开关还具有数字故障引脚。FF 引脚是指示某个输入通道出现故障的常见故障标志。特定的故障引脚(或 SF 引脚)是可用于调试哪个特定输入处于故障状态的引脚。

这些引脚对于系统中的故障诊断非常有用。FF 引脚会先提醒用户出现故障。随后，用户可循环通过数字输入，SF 引脚将确定处于故障状态的特殊开关。

系统好处

图 9 中概述了新的故障保护开关组合对系统的好处。为系统设计人员带来确保精确信号链中的较好模拟性能和系统稳健性相关的好处。

与离散的保护元器件相比，这些好处很明显并且已详细介绍。专利高压工艺和新奇的开关体系结构还为一系列新的 ADI 故障保护开关提供了许多优于竞争对手解决方案的优势。

• 行业先进的 RON 平坦度可实现精确测量
• 行业先进的故障漏泄电流，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 倍)
• 使用辅助故障电源的部件可实现精确故障阈值，同时仍保持较好模拟开关性能
• 用于系统故障诊断的智能故障标记

图 9. ADI 故障保护开关 - 功能和系统好处

应用示例

图 10 中显示的首个应用示例是工艺控制信号链，其中微控制器将监控大量传感器，如 RTD 或热电偶温度传感器、压力传感器、湿度传感器等。在工艺控制应用中，传感器可连接至工厂中非常长的电缆的一端，故障可能与电缆长度有关。

在此示例中，多路复用器是针对低电容和低漏泄优化的 ADG5249F。低漏泄对于这些类型的小信号传感器测量很重要。

开关在 +/-15V 电源时关闭，同时为 +5V 和 GND 配置辅助故障电源以保护下游 PGA 和 ADC。

主传感器信号穿过多路复用器到达 PGA 和 ADC，同时将故障诊断直接发送给微控制器以在出现故障时实施中断。因此，用户将收到故障状况提醒并且可确定哪些传感器出现了故障。随后，可派遣技术人员调试故障，如有需要，可更换出现故障的传感器或电缆。

由于行业先进的低故障漏泄规格，可继续监控其他传感器，即使某个传感器已关闭并等待更换也是如此。如果没有此类低故障漏泄，一个通道出现故障可能会导致所有其他通道在故障修复之前无法使用。

图 10. 工艺控制应用示例

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 通道保护器将增加值。在此示例中，有使用 +/-15V 电源导轨的 PGA，而 ADC 下游具有 0 到 5V 的输入信号范围。

通道保护器位于 PGA 和 ADC 之间。它使用 +/-15V 电源导轨作为其主电源以实现较好导通电阻，并且对其辅助电源导轨使用 0V 和 5V。ADG5462F 在正常运行时允许信号通过，但会将来自 PGA 的超电压输出钳制在 0V 到 5V 之间以保护 ADC。因此，与上一个应用示例相同，有用信号会在运行的平整 RON 区域中偏压。

图 11. 数据采集应用示例

组合摘要

表 1. 低导通电阻系列的故障保护开关

表 2. 低电容/低电荷注入系列的故障保护开关

摘要

将传统离散的保护元器件替换为超电压保护开关及多路复用器可在精确信号链中提供许多系统好处。除了节省电路板空间之外，更换离散元器件还能大大提高性能。

模拟设备具有一系列广泛的超电压保护开关及多路复用器。表 1 和表 2 中列出了新一代系列的故障保护设备。它们基于专利高压和抗锁存工艺而构建，为精确信号链提供行业先进的性能和功能。