電壓監(jiān)控ADC系統(tǒng)中輸入電壓

作者：TI 工程師 沈軍

電源域隔離是電壓監(jiān)控ADC系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)要點(diǎn)，不合理的電源域隔離可能導(dǎo)致芯片關(guān)不掉，芯片發(fā)生閂鎖，甚至芯片損壞的后果。這些問(wèn)題主要是由于芯片內(nèi)部ESD保護(hù)二極管的限制，以及芯片上電時(shí)序的限制，充分考慮這兩點(diǎn)并且結(jié)合一些有效的隔離方法，可以較方便的設(shè)計(jì)出合理的電源域隔離方案。

上圖是一個(gè)典型的ADC電壓監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)比兩顆ADC，TLC4541 與ADS7951的使用情況。下面分別從芯片手冊(cè)絕對(duì)最大值限制，輸入電壓隔離，輸出接口隔離幾個(gè)角度來(lái)理解電源域隔離設(shè)計(jì)。

芯片絕對(duì)最大值限制

絕對(duì)最大值限制，是指芯片管腳上電壓，或者芯片溫度，或者功率耗散等超過(guò)了絕對(duì)最大允許值，芯片可能會(huì)損壞的一種說(shuō)明。這里我們只考慮芯片管腳電壓的限制，左圖是TLC4541的限制，所有的輸入電壓都是以VDD為參考，假設(shè)VDD為0V,也就是掉電的情況下，其他管腳的電壓最大只能是正負(fù)0.3V，否則芯片有可能損壞。右圖是ADS7951的限制，模擬電源和數(shù)字電源之間沒(méi)有限制，但是輸入電壓和模擬供電電壓之間仍然有一個(gè)0.3V的限制，就是模擬供電為0，輸入管腳電壓不超過(guò)正負(fù)0.3V。在電路上可以等效為一個(gè)二極管串聯(lián)在輸入電壓管腳和模擬供電電壓管腳上面[1]。

隔離輸入電壓

由于絕對(duì)最大值的限制，圖（1）中的ADC如果要采集電池電壓的話，那么就必須保證ADC的模擬供電電壓5V一直存在，如果出于低功耗的考慮，5V需要關(guān)掉，那么在電池電壓和ADC之間需要使用一個(gè)隔離器件，否則有可能出現(xiàn)模擬供電電壓被抬升或者器件損壞的可能。這個(gè)器件可以將電池電壓與ADC輸入斷開(kāi)或者連接，模擬開(kāi)關(guān)或者繼電器可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。TMUX154是專門為這種場(chǎng)景設(shè)計(jì)的模擬開(kāi)關(guān)，可以保證沒(méi)有供電的情況下，輸入輸出的I/O是高阻抗的（ Supports Powered-off Protection I/O Pins Hi-Z When VCC = 0 V），達(dá)到隔離輸入電壓的目的。

隔離數(shù)字接口

ADC的數(shù)字接口通常與MCU連接，如果MCU一直有電，但是ADC可能掉電進(jìn)入低功耗，那么電壓經(jīng)過(guò)MCU和ADC內(nèi)部的ESD二極管會(huì)泄漏到ADC的內(nèi)部，這樣會(huì)導(dǎo)致ADC關(guān)不掉或者閂鎖效應(yīng) [1]。所以如果要保證MCU運(yùn)行但是ADC斷電進(jìn)入低功耗模式，需要使用數(shù)字接口隔離器件，這里所指的隔離器件不是光耦或者磁偶一類的高壓隔離器件，而僅僅是電平隔離器件。比如很多的電平轉(zhuǎn)換或者緩沖器芯片，例如SN74AVC4T774，可以支持沒(méi)有供電時(shí)，輸出為高阻狀態(tài)（Ioff Supports Partial Power-Down-Mode Operation）。

總結(jié)

本文主要討論了電壓監(jiān)控ADC系統(tǒng)中輸入電壓，輸出接口隔離的問(wèn)題，通過(guò)認(rèn)識(shí)芯片的絕對(duì)最大值限制，探討了使用模擬開(kāi)關(guān)隔離輸入電壓，使用電平轉(zhuǎn)換器件隔離輸出接口的方法，為系統(tǒng)提供電源域的隔離。

審核編輯：何安