作者：Thomas Brand，ADI公司現(xiàn)場應用工程師
對電子系統(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)人員帶來巨大的挑戰(zhàn)。過壓保護是一個關(guān)鍵的設(shè)計考量因素和挑戰(zhàn)，因為要保護系統(tǒng)不受過壓影響通常需要用到更多部件，但是這些附加部件經(jīng)常會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在最壞的情況下，甚至會產(chǎn)生錯誤信號。除此之外，這些部件會額外增加成本，還會進一步加重空間限制問題。因此，在設(shè)計保護電路時，傳統(tǒng)的解決方案往往需要在系統(tǒng)精度和保護等級之間做出妥協(xié)。
通常，常見的簡單設(shè)計方法是使用外部保護二極管，通常是瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管，安裝在信號線和電源線或接地線之間。TVS二極管相當有用，因為他們可以快速對瞬態(tài)的電壓峰值作出反應。圖1左側(cè)所示的就是這種類型的外部過壓保護。
圖 1. 采用額外的分立式組件的傳統(tǒng)型過壓保護設(shè)計
如果發(fā)生正瞬態(tài)電壓脈沖過壓，電流會通過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。如果脈沖是負的，并且小于VSS，那么上述功能同樣適用，只是換作通過D2鉗位到VSS。但是，如果不加以限制過壓引起的泄漏電流，則可能會損壞二極管。出于這個原因，會在路徑中加裝一個限流電阻。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保護。
這種類型的保護電路的缺點包括增加信號上升和下降時間以及電容效應。此外，當電路處于斷電狀態(tài)時，不提供任何保護。
實際的器件，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、運算放大器等，通常都內(nèi)置保護功能。如圖1右側(cè)所示，此保護功能由開關(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二極管。這種設(shè)置存在缺點，當浮動信號在斷電狀態(tài)（IC沒有通電）下出現(xiàn)時，開關(guān)可能會像處于活動狀態(tài)一樣（即使設(shè)置為關(guān)閉），電流會流經(jīng)二極管和電源軌。這種現(xiàn)象將允許電流通過信號線路，導致信號線路失去保護。
故障保護開關(guān)架構(gòu)
解決上述問題的一種方法是使用配有雙向ESD單元的故障保護開關(guān)架構(gòu)，如圖2所示。現(xiàn)在，ESD單元會通過不斷比較輸入電壓和VDD或VSS上的電壓來箝位瞬時電壓，而非使用輸入端TVS二極管。長時間過壓時，下游開關(guān)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，還可以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)魯棒性和可靠性，且不會對實際信號及其精度產(chǎn)生影響。此外，開關(guān)關(guān)斷時泄漏電流非常低，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 單元的過壓保護
ADI公司(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)。無論現(xiàn)有電源多大，此開關(guān)都可以承受高達±55 V的永久過壓。這四個通道每個通道上集成的ESD單元都可以箝位高達5.5 kV的瞬態(tài)電壓。在過壓條件下，只有受影響的通道會打開，其他通道繼續(xù)正常工作。
結(jié)論
得益于這種過壓保護開關(guān)，電路可以大大簡化。與傳統(tǒng)的分立式解決方案相比，無論是在確保精密信號鏈的出色開關(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。因此，ADG5412F提供的過壓保護特別適用于惡劣環(huán)境下的高精度測量應用。
作者簡介
Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現(xiàn)場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com 。
