為敏感電子信號(hào)輸入提供過(guò)壓保護(hù)的新型可靠方法

對(duì)電子系統(tǒng)魯棒性的高要求，特別是在工業(yè)環(huán)境中，不斷給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。過(guò)壓保護(hù)是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素和挑戰(zhàn)，因?yàn)橥ǔＰ枰~外的組件來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受過(guò)壓事件的影響，但它們經(jīng)常影響，在最壞的情況下，甚至可能使信號(hào)失真。除此之外，這些組件會(huì)產(chǎn)生額外的成本并導(dǎo)致空間限制。因此，在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)，傳統(tǒng)解決方案通常需要在系統(tǒng)精度和保護(hù)級(jí)別之間進(jìn)行折衷。

通常，常見(jiàn)且簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法使用外部保護(hù)二極管，通常是瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管，箝位在信號(hào)線和電源或接地之間。TVS二極管是有利的，因?yàn)樗鼈兛梢詫?duì)臨時(shí)電壓尖峰做出瞬時(shí)反應(yīng)。這種類型的外部過(guò)壓保護(hù)如圖1的左側(cè)所示。

圖1.傳統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)，帶有額外的分立元件。

如果出現(xiàn)正瞬態(tài)電壓脈沖，則用電流通過(guò)二極管D1箝位至VDD。因此，電壓被限制為VDD加上二極管正向電壓。如果脈沖為負(fù)且小于VSS，則同樣適用，但通過(guò)D2將其鉗位到VSS。但是，如果過(guò)電壓引起的漏電流不受限制，則可能會(huì)損壞二極管。因此，路徑中還有一個(gè)限流電阻。對(duì)于非常惡劣的環(huán)境條件，通常使用輸入側(cè)雙向TVS二極管來(lái)增強(qiáng)保護(hù)。

這種類型的保護(hù)電路的缺點(diǎn)是，例如，增加邊沿上升和下降時(shí)間以及電容效應(yīng)。此外，當(dāng)電路處于斷電狀態(tài)時(shí)，它不提供任何保護(hù)。

實(shí)際組件，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、運(yùn)算放大器等，通常具有集成保護(hù)功能。這可以包括一個(gè)交換機(jī)架構(gòu)，如圖1右側(cè)所示。圖1還顯示，兩個(gè)電源軌上都有輸入側(cè)和輸出側(cè)保護(hù)二極管。這種設(shè)置的缺點(diǎn)是，當(dāng)浮動(dòng)信號(hào)處于斷電狀態(tài)（IC未上電）時(shí)，開(kāi)關(guān)可能像處于活動(dòng)狀態(tài)一樣工作（即使設(shè)置為OFF），因?yàn)殡娏鲗⒘鬟^(guò)二極管和電源軌。這允許電流通過(guò)，導(dǎo)致信號(hào)線失去保護(hù)。

故障保護(hù)交換機(jī)架構(gòu)

應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的一種解決方案是采用故障保護(hù)開(kāi)關(guān)架構(gòu)，輔以雙向ESD單元，如圖2所示?，F(xiàn)在，ESD單元通過(guò)不斷比較輸入電壓與VDD或VSS來(lái)箝位電壓瞬變，而不是輸入側(cè)TVS二極管。在永久過(guò)壓的情況下，下游開(kāi)關(guān)自動(dòng)打開(kāi)。輸入電壓不再受箝位在電源軌上的保護(hù)二極管的限制?，F(xiàn)在的限制因素是開(kāi)關(guān)的最大額定電壓。更高的系統(tǒng)穩(wěn)健性和可靠性是額外的優(yōu)勢(shì)。對(duì)實(shí)際信號(hào)及其準(zhǔn)確性幾乎沒(méi)有影響。此外，不需要額外的限流電阻，因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)漏電流非常低。

圖2.具有集成雙向ESD單元的過(guò)壓保護(hù)。

這種類型的輸入結(jié)構(gòu)是ADI公司（ADI）的四通道SPST（單刀、單擲）開(kāi)關(guān)ADG5412F的特征。無(wú)論現(xiàn)有電源如何，該開(kāi)關(guān)都允許高達(dá) ±55 V 的永久過(guò)壓。集成在四個(gè)通道上的每一個(gè)通道上的ESD單元可箝位高達(dá)5.5 kV的電壓瞬變。在過(guò)壓情況下，只有受影響的通道被打開(kāi)，其他通道繼續(xù)正常工作。

結(jié)論

由于這種類型的過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)，電路可以大大簡(jiǎn)化。與傳統(tǒng)的分立解決方案相比，無(wú)論是在保證精確信號(hào)鏈中的最佳開(kāi)關(guān)性能和魯棒性方面，還是在空間優(yōu)化方面，其優(yōu)勢(shì)都是多方面的。因此，ADG5412F提供的過(guò)壓保護(hù)特別適合惡劣環(huán)境中的高精度測(cè)量應(yīng)用。

審核編輯：郭婷