低電壓故障保護(hù)

在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，大多數(shù)系統(tǒng)工作于標(biāo)準(zhǔn)電源電壓(單極性3.3v或5v，或雙極性±3.3v或±5v)，這個(gè)電壓通常也是板上的最高電壓。在實(shí)際使用中，電路板的輸入端子可能會(huì)暴露于比電源電壓更高的電壓之下，同時(shí)，電路板電源被切斷后，輸入端子上的電壓有可能仍然存在。受這種過壓影響的第一個(gè)元件常常是多路復(fù)用器或開關(guān)，這就要求為開關(guān)元件和下游電路提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。

模擬開關(guān)內(nèi)的通道元件通常包括一個(gè)或更多的mosfet，同時(shí)還包含有寄生鉗位二極管(鉗位至電源電壓)，用于esd保護(hù)。圖1顯示了一個(gè)閉合的模擬開關(guān)的等效電路圖。只要v+和v-存在，并且輸入電壓不超過：電源電壓 + 鉗位二極管的正向偏壓(典型0.6v)，二極管就處于反向偏置，沒有電流通過。

更低一些的電流還可能會(huì)導(dǎo)致鎖定 - 一種導(dǎo)致開關(guān)功能失效、并從電源吸取過量電流的故障狀態(tài)。大多數(shù)情況下你只需移去開關(guān)上的所有電壓便可消除鎖定，而不會(huì)損壞開關(guān)，但在此之前整個(gè)電路板將不能正常工作。

外部保護(hù)
防止模擬開關(guān)進(jìn)入鎖定狀態(tài)的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是增加一個(gè)大電流肖特基二極管(圖2)，這個(gè)二極管具有較低的正向偏壓(最大0.3v)。如果輸入電壓超過了電源電壓，肖特基的低偏壓可保證沒有電流流過鉗位二極管，因?yàn)楹笳叩牡湫驼蚱珘簽?.6v。

但是，這個(gè)電路并不能提供過壓保護(hù)。舉例來(lái)講，如果v+ = 5v，開關(guān)輸入端的故障電壓為8v，這時(shí)v+就會(huì)被上拉到接近7.7v - 這對(duì)于v+上連接的大多數(shù)數(shù)字器件來(lái)講過高。即使當(dāng)v+上只有開關(guān)本身，并且開關(guān)能夠承受這樣的故障電壓，這樣的高電壓還是會(huì)通過閉合的開關(guān)危及到下游器件。此外，具有多路輸入的開關(guān)需要在每個(gè)輸入端連接一個(gè)肖特基二極管到v+，這樣會(huì)增加很多成本和板上空間。

圖3電路提供了一個(gè)比較好的過壓保護(hù)方案，適合于那些在開關(guān)未接通電源之前永遠(yuǎn)不會(huì)有輸入電壓的應(yīng)用。一個(gè)常規(guī)的硅二極管的正向偏壓vd一般為0.7v，這樣在選擇齊納管擊穿電壓vz1時(shí)必須滿足vd + vz1 < v+。對(duì)于負(fù)向保護(hù)和vz2也是一樣：|d + vz2| < |v-|。二極管(齊納管和標(biāo)準(zhǔn)硅二極管)的最高額定電壓必須按照可能的最高故障電壓來(lái)選。

通過在輸入通道中串聯(lián)電阻(k級(jí))來(lái)限制流過開關(guān)中鉗位二極管的電流也可以起到某種程度的保護(hù)。不過，過電壓仍然可能威脅到開關(guān)下游的器件。串聯(lián)電阻顯著增加了開管導(dǎo)通時(shí)的通道電阻。這個(gè)電阻隨著溫度的改變會(huì)給信號(hào)帶來(lái)誤差，因?yàn)閬?lái)自于開關(guān)的泄漏電流會(huì)流過這個(gè)增大了的導(dǎo)通電阻。

內(nèi)部保護(hù)
在模擬開關(guān)內(nèi)部集成故障保護(hù)的方法首先被用于某種類型的多路復(fù)用器，它的通道元件包含三個(gè)串聯(lián)的mosfet，依次為n溝道p溝道n溝道。這種結(jié)構(gòu)可以為每個(gè)信號(hào)通道提供±100v的保護(hù)(圖4)。隨著輸入電壓接近并超過電源電壓，復(fù)用器的導(dǎo)通電阻迅速增大，限制了輸入電流，保護(hù)了復(fù)用器(以及復(fù)用器前后的器件)。對(duì)于故障電流的限制同時(shí)也阻斷了故障向其他通道的耦合。

對(duì)于工作在9v至36v或±4.5至±20v范圍的器件，解決這些問題的第一步就是開發(fā)一種新的開關(guān)結(jié)構(gòu)，類似于下面即將談到的低電壓故障保護(hù)方案。較之三fet串聯(lián)技術(shù)，新方案最突出的優(yōu)點(diǎn)是允許滿擺幅工作和更低的導(dǎo)通電阻。內(nèi)部電路檢測(cè)到故障時(shí)自動(dòng)切斷開關(guān)，阻止故障穿過開關(guān)或復(fù)用器到達(dá)其他電路。

故障狀態(tài)下，由于只有很小的漏電流流入開關(guān)或復(fù)用器，開關(guān)不會(huì)因功率耗散而損壞。和早期的3-fet方案相同，基于這種新的工藝和結(jié)構(gòu)的開關(guān)/復(fù)用器會(huì)在斷電情況下返回高阻抗?fàn)顟B(tài)，因而消除了斷電情況下的故障問題。這種器件(包括max4511開關(guān)和max4508復(fù)用器系列)適合于需要±40v故障保護(hù)的高電壓系統(tǒng)，但不適合于常見的3v和5v系統(tǒng)。這些器件在低電壓范圍內(nèi)沒有規(guī)定特性，它們?cè)?v電源下的rds(on)會(huì)高達(dá)數(shù)千歐。

低電壓故障保護(hù)
故障保護(hù)開關(guān)家族中的最新成員被優(yōu)化工作于單極性3.3v或5v電源，或者是雙極性(±3.3v或±5v電源。它們不需要外部保護(hù)，具有最多30 (±5v電源)或100 (+3v電源)的低導(dǎo)通電阻。
如圖5所示，這些開關(guān)由一個(gè)n溝道fet (n1)和一個(gè)p溝道fet (p1)并聯(lián)構(gòu)成低阻抗輸入到輸出信號(hào)通道。只要輸入信號(hào)位于電源范圍以內(nèi)，或不超出電源150mv，就可通過開關(guān)到達(dá)com端，因此允許開關(guān)滿擺幅工作。

故障期間，輸入始終呈現(xiàn)為高阻，與開關(guān)狀態(tài)及負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。最高輸入故障電壓受限于開關(guān)元件的極限值，max4711系列為±12v。舉例來(lái)講，如果max4711工作于5v電源，則在正端可承受的最高故障電壓為+12v，而在負(fù)端為-7v (5v + |-7v| = 12v)。該器件能夠在沒有電源電壓的情況下為輸入引腳(no和nc)提供故障保護(hù)，甚至斷電時(shí)提供更可靠的保護(hù)，在此情況下，故障電壓可接近±12v。

邏輯輸入端(in)的過壓保護(hù)正向最高達(dá)(v+)+12v，但負(fù)向僅能超出負(fù)電源一個(gè)二極管壓降。輸出端(com)沒有保護(hù)，正如上面所提到的，com電壓不應(yīng)超出任何一端電源電壓0.3v以上。

圖6顯示了一個(gè)閉合的、具有故障保護(hù)的開關(guān)在經(jīng)歷兩個(gè)方向的輸入故障電壓期間的輸出情況。通常情況下，在輸入電壓比v+ (或v-)高出150mv約200ns后，輸出(com)就會(huì)等于正(或負(fù))電源電壓減去一個(gè)fet的電壓降。當(dāng)輸入電壓返回到電源范圍以內(nèi)后，需要再經(jīng)過一個(gè)700ns (典型值)的延遲，輸出方可恢復(fù)并跟隨輸入。這個(gè)延遲和com輸出端的電阻和電容有關(guān)，而和故障電壓的幅度無(wú)關(guān)。com端的電阻和電容越大，恢復(fù)時(shí)間就越長(zhǎng)。

將低電壓故障保護(hù)開關(guān)連接在敏感器件和底板之間(圖7)可以提供必要的過壓保護(hù)。這些開關(guān)在卡上電源電壓接通之前保持com輸出為高阻態(tài)，電源就緒后開關(guān)閉合接通底板。開關(guān)的保護(hù)輸入(no)面向底板，未接電源時(shí)提供±12v的保護(hù)，而在電源電壓穩(wěn)定后也可保護(hù)板卡不受底板上的過電壓沖擊。應(yīng)該注意的是，通常所用的來(lái)自于其他供應(yīng)商的邏輯總線開關(guān)并不能提供這種保護(hù)。它們可以提供比標(biāo)準(zhǔn)cmos器件高一些的鎖定電流容限，但不能承受持續(xù)的過電壓。