設計魯棒電子電路的挑戰通常會導致設計中存在大量分立保護元件，并增加相關的成本、設計時間和空間。本文討論故障保護開關架構，以及與傳統分立保護解決方案相比的性能優勢和其他優勢。討論了一種新的新型開關架構和專有的高壓工藝，可提供業界領先的故障保護以及精密信號鏈所需的性能。ADI公司的新型故障保護開關和多路復用器產品組合（ADG52xxF和ADG54xxF）采用這種技術。

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

用過壓保護開關和多路復用器代替分立保護元件，可以在模擬性能、魯棒性和解決方案尺寸方面提供顯著優勢。過壓保護元件位于敏感的下游電路和承受外部應力的輸入之間。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。

本文詳細介紹了過壓事件引起的問題，討論了傳統的分立保護解決方案和相關缺點，介紹了過壓保護模擬開關提供的解決方案，包括特性和系統優勢，最后介紹了業界領先的ADI故障保護模擬開關產品組合。

過壓問題—返璞歸真

當施加到開關的輸入信號超過電源（VDD或 V黨衛軍）超過二極管壓降，IC內的ESD保護二極管變為正向偏置，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，則可能會觸發閂鎖事件。

圖1.過壓電流路徑。

如果交換機未通電，則可能發生以下幾種情況：

如果電源浮動，輸入信號可能最終為 V 供電DD通過ESD二極管的導軌。在這種情況下，VDD引腳進入輸入信號的二極管壓降內。這意味著開關將有效地供電，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 設備將以負 V 打開一般事務人員因此，開關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。

分立式保護解決方案

傳統上，設計人員使用分立保護元件解決輸入保護問題。

大串聯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。多路復用信號鏈中這種保護方案的示例如圖3所示。

但是，使用這些分立式保護元件有許多缺點。

串聯電阻將增加多路復用器的建立時間并減慢整體建立時間。

保護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，因為電源的ESD二極管不會提供任何箝位保護。

圖3.分立式保護解決方案。

傳統交換機架構

圖 4 中的圖表概述了傳統的交換機架構。開關元件（圖4右側）在開關元件的輸入側和輸出側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元件——用于限流的串聯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，以便在更惡劣的環境中提供額外的保護。

圖4.具有外部分立保護的傳統交換機架構。

故障保護交換機架構

故障保護開關架構如圖5所示。輸入側的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過程限制的電壓（ADI公司的新型故障保護開關為±55 V）。

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

輸入側的ESD單元仍然可以提供出色的ESD保護。使用此類ESD單元的ADG5412F過壓故障保護四通道SPST開關可實現5.5 kV HBM ESD額定值。

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

圖5.故障保護交換機架構。

在其中一個開關輸入出現過壓的情況下，受影響的通道關閉，輸入變為高阻抗。其他通道的泄漏將保持較低，因此其余通道可以繼續正常運行，對性能的影響最小。這使得系統速度/性能和過壓保護之間的妥協非常小。

因此，故障保護開關可以大大簡化信號鏈解決方案。在許多情況下，開關過壓保護消除了對限流電阻和肖特基二極管的要求。整體系統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故障保護開關特性

ADI公司新的故障保護開關產品組合基于專有的高壓工藝，可在通電和無電狀態下提供高達±55 V的過壓保護。這些器件為精密信號鏈的故障保護開關提供業界領先的性能。

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和每個開關的PDMOS晶體管之間放置一個絕緣氧化層。消除了結隔離開關中晶體管之間的寄生結，結果是開關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，這是規范中最嚴格的測試。

模擬性能

除了實現業界領先的魯棒性（過壓保護、高ESD額定值、上電時已知狀態（無數字輸入）外，新型ADI故障保護開關還具有業界領先的模擬性能。開關性能一如既往地需要在低導通電阻和低電容/電荷注入之間進行權衡。開關的選擇通常取決于負載是高阻抗還是低阻抗。

低阻抗系統

低導通電阻器件通常用于低阻抗系統，其中開關的導通電阻需要保持在最低水平。在低阻抗系統中，例如電源或增益級，與負載并聯的導通電阻和源阻抗會導致增益誤差。即使在許多情況下可以校準增益誤差，導通電阻（R上）在整個信號范圍內或通道之間會產生無法校準的失真。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開關在整個信號范圍內的導通電阻。除了實現非常低的導通電阻外，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驅動器設計，可確保恒定的 V一般事務人員電壓和提供平坦的R上整個輸入電壓范圍內的性能。權衡是略微縮小了可以實現最佳性能的信號范圍，這可以從R的形狀中看出。上情節。由于此 R，可以有顯著的系統優勢上對 R 敏感的應用程序中的性能上變化或 THD。

圖7.故障保護開關導通電阻。

ADG5404F是一款新型閂鎖、抗壓、過壓故障保護多路復用器。與標準器件相比，閂鎖抗隔離部件和過壓保護部件通常具有更高的導通電阻和較差的導通電阻平坦度。但是，由于常數 V一般事務人員ADG5404F設計中使用的方案，R上實際上，平坦度甚至優于ADG1404（業界領先的低導通電阻）和ADG5404（閂鎖免疫，但沒有過壓保護）。在許多應用中，例如RTD溫度測量，R上平坦度實際上比導通電阻的絕對值更重要，因此故障保護開關有可能提高這些系統的性能。

低阻抗系統的典型故障模式是在發生故障時漏極輸出開路。

高阻抗系統

低泄漏、低電容、低電荷注入開關最常用于高阻抗系統。由于多路復用器輸出端的放大器負載，數據采集系統通常具有高阻抗。

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重要。這允許數據采集系統中的最大數據吞吐量。

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

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

高阻抗系統的典型故障模式是在發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系

故障診斷

大多數新型ADI故障保護開關還具有數字故障引腳。FF引腳是一個通用故障標志，表示其中一個輸入通道出現故障。特定故障引腳（或SF引腳）是可用于調試哪個特定輸入出現故障的引腳。

這些引腳可用于系統中的故障診斷。FF引腳首先提醒用戶故障。然后，用戶可以循環切換數字輸入，SF 引腳將識別哪個或多個特定開關出現故障。

系統優勢

新的故障保護開關產品組合的系統優勢如圖9所示。對于系統設計人員來說，無論是在確保精密信號鏈中的最佳模擬性能方面，還是在系統魯棒性方面，其優勢都是巨大的。

圖9.ADI故障保護開關—特性和系統優勢。

與分立式保護組件相比，其優勢顯而易見，并且已經詳細描述了。專有的高壓工藝和新穎的開關架構也使新的ADI故障保護開關系列具有比競爭解決方案更多的優勢。

行業領先的研發上用于精密測量的平坦度

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

帶有輔助故障電源的器件，可實現精確的故障閾值，同時仍保持最佳模擬開關性能

用于系統故障診斷的智能故障標志

應用示例

圖10所示的第一個應用示例是一個過程控制信號鏈，其中微控制器監視許多傳感器，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故障。

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

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

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

由于具有業界領先的低故障泄漏規格，即使其中一個傳感器關閉并等待更換，也可以繼續監控其他傳感器。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。

圖 10.過程控制應用示例。

圖11中的第二個應用示例是數據采集信號鏈的一部分，其中ADG5462F通道保護器將增加價值。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。

通道保護器位于PGA和ADC之間。它使用 ±15 V 電源軌作為主電源以實現最佳導通電阻，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ADC。因此，與前面的應用示例一樣，目標信號在平坦的R中存在偏差。上運營區域。

圖 11.數據采集應用示例。

總結

用過壓保護開關和多路復用器取代傳統的分立保護元件，可以在精密信號鏈中提供許多系統優勢。除了節省電路板空間外，更換分立元件的性能優勢也非常顯著。

ADI公司提供各種過壓保護開關和多路復用器。表 1 和表 2 中列出了最新的故障保護器件系列。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領先的性能和特性。

投資組合摘要

表 1.低導通電阻系列故障保護開關

表 2.低電容/低電荷注入系列故障保護開關

審核編輯：郭婷