如何對(duì)敏感型電子信號(hào)輸入實(shí)施過(guò)壓保護(hù)?
發(fā)布時(shí)間:2019-11-12 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】對(duì)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(kāi)發(fā)人員帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。過(guò)壓保護(hù)是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考量因素和挑戰(zhàn),因?yàn)橐Wo(hù)系統(tǒng)不受過(guò)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(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,在最壞的情況下,甚至?xí)a(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。
對(duì)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(kāi)發(fā)人員帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。過(guò)壓保護(hù)是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考量因素和挑戰(zhàn),因?yàn)橐Wo(hù)系統(tǒng)不受過(guò)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(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,在最壞的情況下,甚至?xí)a(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。除此之外,這些部件會(huì)額外增加成本,還會(huì)進(jìn)一步加重空間限制問(wèn)題。因此,在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí),傳統(tǒng)的解決方案往往需要在系統(tǒng)精度和保護(hù)等級(jí)之間做出妥協(xié)。
通常,常見(jiàn)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)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(hào)線和電源線或接地線之間。TVS二極管相當(dāng)有用,因?yàn)樗麄兛梢钥焖賹?duì)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(lèi)型的外部過(guò)壓保護(hù)。
圖1.采用額外的分立式組件的傳統(tǒng)型過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)
如果發(fā)生正瞬態(tài)電壓脈沖過(guò)壓,電流會(huì)通過(guò)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(guò)D2鉗位到VSS。但是,如果不加以限制過(guò)壓引起的泄漏電流,則可能會(huì)損壞二極管。出于這個(gè)原因,會(huì)在路徑中加裝一個(gè)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(qiáng)保護(hù)。
這種類(lèi)型的保護(hù)電路的缺點(diǎn)包括增加信號(hào)上升和下降時(shí)間以及電容效應(yīng)。此外,當(dāng)電路處于斷電狀態(tài)時(shí),不提供任何保護(hù)。
實(shí)際的器件,例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、運(yùn)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(kāi)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(diǎn),當(dāng)浮動(dòng)信號(hào)在斷電狀態(tài)(IC沒(méi)有通電)下出現(xiàn)時(shí),開(kāi)關(guān)可能會(huì)像處于活動(dòng)狀態(tài)一樣(即使設(shè)置為關(guān)閉),電流會(huì)流經(jīng)二極管和電源軌。這種現(xiàn)象將允許電流通過(guò)信號(hào)線路,導(dǎo)致信號(hào)線路失去保護(hù)。
故障保護(hù)開(kāi)關(guān)架構(gòu)
解決上述問(wèn)題的一種方法是使用配有雙向ESD單元的故障保護(hù)開(kāi)關(guān)架構(gòu),如圖2所示。現(xiàn)在,ESD單元會(huì)通過(guò)不斷比較輸入電壓和VDD或VSS上的電壓來(lái)箝位瞬時(shí)電壓,而非使用輸入端TVS二極管。長(zhǎng)時(shí)間過(guò)壓時(shí),下游開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。如此一來(lái),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(kāi)關(guān)的最大額定電壓限制。除此以外,還可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)魯棒性和可靠性,且不會(huì)對(duì)實(shí)際信號(hào)及其精度產(chǎn)生影響。此外,開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)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(guò)壓保護(hù)
ADI公司(ADI)提供的四通道單刀單擲(SPST)開(kāi)關(guān)ADG5412F采用了這種輸入結(jié)構(gòu)。無(wú)論現(xiàn)有電源多大,此開(kāi)關(guān)都可以承受高達(dá)±55 V的永久過(guò)壓。這四個(gè)通道每個(gè)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(guò)壓條件下,只有受影響的通道會(huì)打開(kāi),其他通道繼續(xù)正常工作。
結(jié)論
得益于這種過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān),電路可以大大簡(jiǎn)化。與傳統(tǒng)的分立式解決方案相比,無(wú)論是在確保精密信號(hào)鏈的出色開(kāi)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(shì)。因此,ADG5412F提供的過(guò)壓保護(hù)特別適用于惡劣環(huán)境下的高精度測(cè)量應(yīng)用。
(來(lái)源:ADI公司,作者:Thomas Brand)
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