基于電壓監(jiān)控ADC系統(tǒng)的電源域隔離方案

電源域隔離是電壓監(jiān)控ADC系統(tǒng)的一個重要設(shè)計要點，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。這些問題主要是由于芯片內(nèi)部ESD保護二極管的限制，以及芯片上電時序的限制，充分考慮這兩點并且結(jié)合一些有效的隔離方法，可以較方便的設(shè)計出合理的電源域隔離方案。

圖1：電壓監(jiān)控

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

芯片絕對最大值限制

絕對最大值限制，是指芯片管腳上電壓，或者芯片溫度，或者功率耗散等超過了絕對最大允許值，芯片可能會損壞的一種說明。這里我們只考慮芯片管腳電壓的限制，圖2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0.3V，否則芯片有可能損壞。圖3是ADS7951的限制，模擬電源和數(shù)字電源之間沒有限制，但是輸入電壓和模擬供電電壓之間仍然有一個0.3V的限制，就是模擬供電為0，輸入管腳電壓不超過正負0.3V。在電路上可以等效為一個二極管串聯(lián)在輸入電壓管腳和模擬供電電壓管腳上面。

圖2：絕對最大值限制（TLC4541）

圖3：絕對最大值限制（ADS7951）

隔離輸入電壓

由于絕對最大值的限制，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。模擬開關(guān)或者繼電器可以實現(xiàn)將電池電壓與ADC輸入斷開或者連接。TMUX154是專門為這種場景設(shè)計的模擬開關(guān)，可以保證沒有供電的情況下，輸入輸出的I/O是高阻抗的（當(dāng)VCC = 0 V時，支持斷電保護I/O引腳Hi-Z），達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可能掉電進入低功耗，那么電壓經(jīng)過MCU和ADC內(nèi)部的ESD二極管會泄漏到ADC的內(nèi)部，這樣會導(dǎo)致ADC關(guān)不掉或者閂鎖效應(yīng)。所以如果要保證MCU運行但是ADC斷電進入低功耗模式，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，可以支持沒有供電時，輸出為高阻狀態(tài)（IOFF支持部分斷電模式操作）。

總結(jié)

本文主要討論了電壓監(jiān)控ADC系統(tǒng)中輸入電壓，輸出接口隔離的問題，通過認識芯片的絕對最大值限制，探討了使用模擬開關(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。