如何為敏感型電子信號(hào)輸入提供高效的過(guò)壓保護(hù)？

對(duì)電子系統(tǒng)可靠性的高要求，特別是在工業(yè)環(huán)境中，不斷給開發(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)考量因素和挑戰(zhàn)，因?yàn)橐Ｗo(hù)系統(tǒng)不受過(guò)壓影響通常需要用到更多部件，但是這些附加部件經(jīng)常會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在最壞的情況下，甚至?xí)a(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。除此之外，這些部件會(huì)額外增加成本，還會(huì)進(jìn)一步加重空間限制問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)，傳統(tǒng)的解決方案往往需要在系統(tǒng)精度和保護(hù)等級(jí)之間做出妥協(xié)。

通常，常見(jiàn)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)方法是使用外部保護(hù)二極管，通常是瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管，安裝在信號(hào)線和電源線或接地線之間。TVS二極管相當(dāng)有用，因?yàn)樗麄兛梢钥焖賹?duì)瞬態(tài)的電壓峰值作出反應(yīng)。圖1左側(cè)所示的就是這種類型的外部過(guò)壓保護(hù)。

圖1. 采用額外的分立式組件的傳統(tǒng)型過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)。

如果發(fā)生正瞬態(tài)電壓脈沖過(guò)壓，電流會(huì)通過(guò)D1流向VDD以箝位此正瞬態(tài)電壓脈沖，電壓因此受限，箝位電壓等于VDD加上二極管上的正向電壓。如果脈沖是負(fù)的，并且小于VSS，那么上述功能同樣適用，只是換作通過(guò)D2鉗位到VSS。但是，如果不加以限制過(guò)壓引起的泄漏電流，則可能會(huì)損壞二極管。出于這個(gè)原因，會(huì)在路徑中加裝一個(gè)限流電阻。在非常惡劣的環(huán)境條件下，輸入端的雙向TVS二極管通常用于增強(qiáng)保護(hù)。

這種類型的保護(hù)電路的缺點(diǎn)包括增加信號(hào)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)，不提供任何保護(hù)。

實(shí)際的器件，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、運(yùn)算放大器等，通常都內(nèi)置保護(hù)功能。如圖1右側(cè)所示，此保護(hù)功能由開關(guān)架構(gòu)構(gòu)成。從圖1還可以看出，電源軌兩側(cè)都配有輸入端和輸出端保護(hù)二極管。這種設(shè)置存在缺點(diǎn)，當(dāng)浮動(dòng)信號(hào)在斷電狀態(tài)（IC沒(méi)有通電）下出現(xiàn)時(shí)，開關(guān)可能會(huì)像處于活動(dòng)狀態(tài)一樣（即使設(shè)置為關(guān)閉），電流會(huì)流經(jīng)二極管和電源軌。這種現(xiàn)象將允許電流通過(guò)信號(hào)線路，導(dǎo)致信號(hào)線路失去保護(hù)。

故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)

解決上述問(wèn)題的一種方法是使用配有雙向ESD單元的故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)，如圖2所示。現(xiàn)在，ESD單元會(huì)通過(guò)不斷比較輸入電壓和VDD或VSS上的電壓來(lái)箝位瞬時(shí)電壓，而非使用輸入端TVS二極管。長(zhǎng)時(shí)間過(guò)壓時(shí)，下游開關(guān)會(huì)自動(dòng)打開。如此一來(lái)，輸入電壓不再受箝位在電源軌道上的保護(hù)二極管限制，而是由開關(guān)的最大額定電壓限制。除此以外，還可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)魯棒性和可靠性，且不會(huì)對(duì)實(shí)際信號(hào)及其精度產(chǎn)生影響。此外，開關(guān)關(guān)斷時(shí)泄漏電流非常低，所以也不需要使用額外的限流電阻。

圖2. 配有集成式雙向ESD單元的過(guò)壓保護(hù)。

ADI提供的四通道單刀單擲(SPST)開關(guān) ADG5412F 采用了這種輸入結(jié)構(gòu)。無(wú)論現(xiàn)有電源多大，此開關(guān)都可以承受高達(dá)±55 V的永久過(guò)壓。這四個(gè)通道每個(gè)通道上集成的ESD單元都可以箝位高達(dá)5.5 kV的瞬態(tài)電壓。在過(guò)壓條件下，只有受影響的通道會(huì)打開，其他通道繼續(xù)正常工作。

結(jié)論

得益于這種過(guò)壓保護(hù)開關(guān)，電路可以大大簡(jiǎn)化。與傳統(tǒng)的分立式解決方案相比，無(wú)論是在確保精密信號(hào)鏈的出色開關(guān)性能方面，還是在優(yōu)化空間使用率方面，這種解決方案都具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，ADG5412F提供的過(guò)壓保護(hù)特別適用于惡劣環(huán)境下的高精度測(cè)量應(yīng)用。