摘要：本應(yīng)用筆記討論過(guò)壓保護(hù)在連接系統(tǒng)電路的開(kāi)關(guān)和復(fù)用器中的必要性。MAX4711/MAX4712/MAX4713模擬開(kāi)關(guān)工作在2.7V至11V，集成了故障保護(hù)功能。本文還介紹了其它幾種故障保護(hù)方案，以及相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

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(guò)壓影響的第一個(gè)元件常常是多路復(fù)用器或開(kāi)關(guān)，這就要求為開(kāi)關(guān)元件和下游電路提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。

模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)的等效電路圖。只要V+和V-存在，并且輸入電壓不超過(guò)：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(méi)有電流通過(guò)。


圖1. 閉合開(kāi)關(guān)的等效電路

不正確的電源順序會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓故障，許多開(kāi)關(guān)要求首先接通最大的“正”電壓，最后才是最低的“負(fù)”電壓。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)電源關(guān)斷時(shí)有輸入電壓或輸入電壓超出了電源電壓時(shí)，都會(huì)有電流流過(guò)鉗位二極管。這些二極管僅有數(shù)毫瓦的功率容量(取決于IC的半導(dǎo)體工藝)，當(dāng)因功率耗散而產(chǎn)生的熱量超過(guò)一定容限時(shí)將會(huì)永久性地?fù)p壞開(kāi)關(guān)。

更低一些的電流還可能會(huì)導(dǎo)致鎖定—一種導(dǎo)致開(kāi)關(guān)功能失效、并從電源吸取過(guò)量電流的故障狀態(tài)。大多數(shù)情況下你只需移去開(kāi)關(guān)上的所有電壓便可消除鎖定，而不會(huì)損壞開(kāi)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(kāi)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(guò)了電源電壓，肖特基的低偏壓可保證沒(méi)有電流流過(guò)鉗位二極管，因?yàn)楹笳叩牡湫驼蚱珘簽?.6V。


圖2. 利用外部肖特基二極管防止閉鎖

不過(guò)，這種無(wú)鎖定電路仍然存在有缺陷，不僅僅是因?yàn)閮芍槐Ｗo(hù)二極管所帶來(lái)的額外成本。肖特基二極管會(huì)讓超過(guò)電源電壓0.3V以上的任何電壓通過(guò)。對(duì)于連接到V+、V-的器件，在電源沒(méi)有接通(V+和V-位于地電平)并且輸入電壓始終低于電源線上連接的每個(gè)器件的極限值時(shí)不存在問(wèn)題。

但是，這個(gè)電路并不能提供過(guò)壓保護(hù)。舉例來(lái)講，如果V+ = 5V，開(kāi)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(guò)高。即使當(dāng)V+上只有開(kāi)關(guān)本身，并且開(kāi)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(guò)閉合的開(kāi)關(guān)危及到下游器件。此外，具有多路輸入的開(kāi)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(guò)壓保護(hù)方案，適合于那些在開(kāi)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。


圖3. 利用外部二極管提供過(guò)壓保護(hù)

對(duì)于一個(gè)持續(xù)的過(guò)壓故障(而非毛刺)，須在地和齊納二極管之間連接一個(gè)電阻來(lái)限制通過(guò)二極管的電流。這種保護(hù)的最大缺點(diǎn)是限制了開(kāi)關(guān)的輸入電壓范圍。由于二極管的偏壓有很大差異，二極管網(wǎng)絡(luò)的最小/最大限也會(huì)有很大的差異。如果按最差的極限情況來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，就有可能在電壓比電源電壓還低很多的情況下二極管就開(kāi)始導(dǎo)通，這樣就使開(kāi)關(guān)喪失了滿擺幅特性。

通過(guò)在輸入通道中串聯(lián)電阻(kΩ級(jí))來(lái)限制流過(guò)開(kāi)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(guò)，過(guò)電壓仍然可能威脅到開(kāi)關(guān)下游的器件。串聯(lián)電阻顯著增加了開(kāi)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(kāi)關(guān)的泄漏電流會(huì)流過(guò)這個(gè)增大了的導(dǎo)通電阻。

內(nèi)部保護(hù)

在模擬開(kāi)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(guò)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。


圖4. 早期故障保護(hù)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻隨信號(hào)電壓的變化

串聯(lián)MOSFET的方法也可在無(wú)電源的情況下提供保護(hù)。早期的器件，如MAX388或HI-509A，只工作在±4.5V至±18V，有著較大的封裝、較高的導(dǎo)通電阻(最小350Ω，最高可至3.5kΩ)，并且只能通過(guò)比電源電壓低大約2V的輸入信號(hào)電壓。

對(duì)于工作在9V至36V或±4.5至±20V范圍的器件，解決這些問(wèn)題的第一步就是開(kāi)發(fā)一種新的開(kāi)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(kāi)關(guān)，阻止故障穿過(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)或復(fù)用器，開(kāi)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(kāi)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(wèn)題。這種器件(包括MAX4511開(kāi)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(jiàn)的3V和5V系統(tǒng)。這些器件在低電壓范圍內(nèi)沒(méi)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(kāi)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30Ω (±5V電源)或100Ω (+3V電源)的低導(dǎo)通電阻。

如圖5所示，這些開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)到達(dá)COM端，因此允許開(kāi)關(guān)滿擺幅工作。


圖5. 低電壓故障保護(hù)開(kāi)關(guān)的內(nèi)部框圖

開(kāi)關(guān)內(nèi)部的兩個(gè)比較器用于監(jiān)視輸入電壓，它們將輸入電壓與電源電壓V+和V-進(jìn)行比較。當(dāng)NO (常開(kāi))端或NC (常閉)端上的信號(hào)位于V+和V-之間時(shí)，開(kāi)關(guān)正常工作。當(dāng)信號(hào)電壓超出電源約150mV時(shí)(故障情況)，輸出電壓(COM)被限制在電源電壓—保持相同極性且輸入為高阻。這是在故障比較器的控制下實(shí)現(xiàn)的，它在故障情況下關(guān)閉了N1和P1。故障比較器同時(shí)還按照以下規(guī)則控制鉗位FET (N2和P2)：如果開(kāi)關(guān)閉合時(shí)出現(xiàn)了負(fù)極性故障，接通N2連接COM到V-。如果開(kāi)關(guān)閉合時(shí)出現(xiàn)了正極性故障，則接通P2連接COM到V+。如果開(kāi)關(guān)開(kāi)路時(shí)出現(xiàn)了故障，則輸出呈現(xiàn)高阻。

故障期間，輸入始終呈現(xiàn)為高阻，與開(kāi)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(kāi)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(méi)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(guò)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(méi)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(kāi)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(guò)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)。


圖6. 故障狀態(tài)下的輸入和輸出電壓

應(yīng)用

除了一些典型應(yīng)用以外，例如在ATE和工業(yè)設(shè)備中作為模擬輸入的保護(hù)，這些低電壓、故障保護(hù)型開(kāi)關(guān)還可以在很多其他應(yīng)用中用來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和解決板上空間不足的問(wèn)題。

舉例來(lái)講，為了避免切斷整個(gè)設(shè)備機(jī)箱的電源，許多應(yīng)用要求能夠向一個(gè)帶電的底板插入擴(kuò)展卡。盡管可以用MAX4271這樣的熱插拔控制器來(lái)限制卡上的浪涌電流，但其信號(hào)線的保護(hù)并不容易。當(dāng)你將板卡插入底板時(shí)，底板的數(shù)據(jù)總線采用5V TTL電平進(jìn)行通信，這時(shí)卡上的數(shù)字IC (微控制器，ASIC等)就有可能在5V電源接通前在其輸入端“看到”5V電壓。前面已經(jīng)提到，這種情況會(huì)導(dǎo)致鎖定或板卡損壞。

將低電壓故障保護(hù)開(kāi)關(guān)連接在敏感器件和底板之間(圖7)可以提供必要的過(guò)壓保護(hù)。這些開(kāi)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(kāi)關(guān)閉合接通底板。開(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)電壓。


圖7. 熱插拔背板信號(hào)

在圖8所示電路中，低電壓故障保護(hù)開(kāi)關(guān)在檢測(cè)到有外部電源(如墻上適配器)接入時(shí)，會(huì)切斷內(nèi)部電源(一節(jié)9V電池或兩節(jié)串連的鋰電池)。通常情況下，開(kāi)關(guān)由電池通過(guò)13引腳供電。低電壓肖特基二極管阻止非充電電池被外部電源充電。


圖8. 當(dāng)有外部電源接入時(shí)電池被切斷

VCC由第10引腳的開(kāi)關(guān)取出，大多數(shù)應(yīng)用中，這個(gè)電壓還要由后面的電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)理。一旦檢測(cè)到外部電源電壓，微控制器接通開(kāi)關(guān)1和4，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)3。輸出電容C在VCC由開(kāi)關(guān)3切向開(kāi)關(guān)4的過(guò)程中為系統(tǒng)提供電源。為了保護(hù)電池，當(dāng)開(kāi)關(guān)4閉合時(shí)，必須始終保持開(kāi)關(guān)3處于斷開(kāi)狀態(tài)。外部電源移走后，開(kāi)關(guān)4和1斷開(kāi)而開(kāi)關(guān)3閉合。當(dāng)外部電源電壓高于電池電壓，或電池已深度放電時(shí)接入外部電源，或C已充電而電池被移走時(shí)，故障保護(hù)特性可以保證開(kāi)關(guān)正確、安全地工作。