對敏感型電子信號輸入實施過壓保護(hù)的可靠新方法

作者：Thomas Brand，ADI公司現(xiàn)場應(yīng)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(hù)是一個關(guān)鍵的設(shè)計考量因素和挑戰(zhàn)，因為要保護(hù)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?xí)a(chǎn)生錯誤信號。除此之外，這些部件會額外增加成本，還會進(jìn)一步加重空間限制問題。因此，在設(shè)計保護(hù)電路時，傳統(tǒng)的解決方案往往需要在系統(tǒng)精度和保護(hù)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(hù)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(dāng)有用，因為他們可以快速對瞬態(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壓保護(hù)。

圖1.采用額外的分立式組件的傳統(tǒng)型過壓保護(hù)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(fù)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(hù)。

這種類型的保護(hù)電路的缺點包括增加信號上升和下降時間以及電容效應(yīng)。此外，當(dāng)電路處于斷電狀態(tài)時，不提供任何保護(hù)。

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(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，當(dāng)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(dǎo)致信號線路失去保護(hù)。

故障保護(hù)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(hù)開關(guān)架構(gòu)，如圖2所示?，F(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(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(hù)

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(dá)±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(dá)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(hù)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(hù)特別適用于惡劣環(huán)境下的高精度測量應(yīng)用。

作者簡介

Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項目。2017年，他成為一名現(xiàn)場應(yīng)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(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。