針對電子系統可靠性的高要求──尤其是在工業環境中,不斷地為開發人員帶來巨大的挑戰。過壓保護是一個關鍵的設計考量因素和挑戰,因為要保護系統不受過壓影響通常需要用到更多零組件,但是這些附加的零組件經常會對系統產生影響,在最壞的情況下,甚至還會產生錯誤的訊號。除此之外,這些零組件會額外增加的成本,同時還會進一步加重空間限制問題。

因此在設計保護電路時,傳統的解決方案往往需要在系統精度和保護等級之間做出妥協。常見的簡單設計方法是使用外部保護二極體,通常是瞬變電壓抑制器(TVS)二極體,其安裝在訊號線和電源線或接地線之間。TVS二極體相當有用,因為他們可以快速地對瞬態的電壓峰值作出反應。圖1左側所示的就是這種類型的外部過壓保護。

20190829_ADI_TA71P1

圖1:採用額外離散式元件的傳統型過壓保護設計。

如果發生正瞬態電壓脈衝過壓,電流會透過D1流向VDD以箝位此正瞬變電壓脈衝,電壓將因此受限,箝位電壓等於VDD加上二極體上的正向電壓。如果脈衝是負的,並且小於VSS,那麼上述功能同樣適用,只是換作通過D2鉗位到VSS。但是,如果不加以限制過壓所引起的洩漏電流,那麼則可能會損壞二極體。

基於以上原因,一般會在路徑中加裝一個限流電阻。在非常惡劣的環境條件下,輸入端的雙向TVS二極體通常用於增強保護。這種類型的保護電路的缺點包括增加訊號上升和下降時間以及電容效應。此外當電路處於斷電狀態時,不提供任何保護。

實際的元件,例如類比數位轉換器(ADC)、運算放大器等,通常都內建保護功能。如圖1右側所示,此保護功能由切換開關架構構成。從圖1還可以看出,電源軌兩側都配有輸入端和輸出端保護二極體。這種設置事實上存在著缺點,當浮動訊號在斷電狀態(IC沒有通電)下出現時,切換開關可能會像處於活動狀態一樣(即使設定為關閉),電流會流經二極體和電源軌。這種現象將允許電流通過訊號線路,導致訊號線路失去保護。

故障保護切換開關架構

解決上述問題的一種方法是使用配有雙向ESD單元的故障保護切換開關架構,如圖2所示。現在,ESD單元會透過不斷比較輸入電壓和VDD或VSS上的電壓來箝位暫態電壓,而非使用輸入端TVS二極體。長時間過壓時,下游切換開關會自動打開。如此一來,輸入電壓不再受箝位在電源軌道上的保護二極體限制,而是由切換開關的最大額定電壓限制。除此以外,還可以實現更高的系統強固性和可靠性,且不會對實際訊號及其精度產生影響。此外,切換開關關斷時洩漏電流非常低,所以也不需要使用額外的限流電阻。

20190829_ADI_TA71P2

圖2:配有整合式雙向ESD單元的過壓保護。

ADI 提供的四通道單刀單擲(SPST)切換開關ADG5412F採用了這種輸入結構。無論現有電源多大,此切換開關都可以承受高達±55V的永久過壓。這四個通道每個通道上整合的ESD單元都可以箝位高達5.5 kV的瞬變電壓。在過壓條件下,只有受影響的通道會打開,其他通道將繼續正常工作。

結論

此種過壓保護切換開關可簡化電路,與傳統的離散式解決方案相比,無論是在確保精密訊號鏈的出色切換開關性能方面,或是在優化空間使用率方面,這種解決方案都具有優勢。因此,ADG5412F提供的過壓保護特別適用於惡劣環境下的高精度測量應用。