本應(yīng)用筆記討論了連接到系統(tǒng)其余部分的開關(guān)和多路復(fù)用器中過壓保護的需求。MAX4711/MAX4712/MAX4713模擬開關(guān)工作在2.7V至11V，集成故障保護。討論了其他故障保護方法及其優(yōu)缺點。

當(dāng)今系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓（單極性 3.3V 或 5V 或雙極性 ±3.3V 或 ±5V）通常是電路板上可用的最高電壓。電路板的輸入端子可能暴露在高于電源電壓的電壓下。當(dāng)電路板電源關(guān)閉時，輸入端子處可能會保持電壓。第一個受過壓影響的元件通常是多路復(fù)用器或開關(guān)，因此它們必須保護下游電路。

模擬開關(guān)中的調(diào)整元件包含一個或多個MOSFET，并具有寄生箝位二極管以連接到電源電壓以實現(xiàn)ESD保護。圖1所示為閉合模擬開關(guān)的等效電路圖。只要存在V+和V-，并且沒有輸入電壓超過箝位二極管的正向偏置電壓（通常為0.6V），二極管就會反向偏置，沒有電流流過它們。

圖1.閉合開關(guān)的等效電路圖。

由于電源電壓排序不當(dāng)會導(dǎo)致過壓故障，因此許多開關(guān)要求首先施加最正的電壓，最后施加最負(fù)的電壓。電源關(guān)閉時的輸入電壓或超過電源電壓的輸入電壓會導(dǎo)致電流流過箝位二極管。這些二極管只能處理幾毫瓦（取決于IC的半導(dǎo)體工藝），然后由于功耗引起的熱量會永久損壞開關(guān)。

較低的電流水平會導(dǎo)致閂鎖，即開關(guān)發(fā)生故障并從電源吸收過多電流的情況。在大多數(shù)情況下，您可以通過從開關(guān)中移除所有電壓來終止閂鎖而不會損壞開關(guān)，但在您這樣做之前，電路板將無法正常工作。

外部保護

保護模擬開關(guān)免受閂鎖影響的簡單方法（圖 2）增加了大電流肖特基二極管，其正向偏置電壓低至 0.3V（最大值）。如果輸入電壓超過電源電壓，低肖特基電壓可確保沒有電流流過箝位二極管，其典型正向偏置電壓為0.6V。

圖2.帶外部肖特基二極管的閂鎖保護。

由此產(chǎn)生的無閂鎖電路有一個缺點（除了兩個保護二極管的額外成本）。肖特基二極管通過的每個電壓至少比電源電壓高0.3V。如果電源電壓不存在（地電平為V+和V-），并且輸入電壓保持在連接到V+和V-的每個器件的絕對最大額定值以下，則這種行為不是問題。

但是，該電路不提供過壓保護。例如，如果V+ = 5V，而開關(guān)輸入端的故障電壓為8V，則V+被拉至約7.7V，這對于連接到V+的大多數(shù)數(shù)字器件來說太高了。即使V+僅為開關(guān)供電，并且開關(guān)能夠承受故障，高壓也可能通過閉合開關(guān)并損壞下游部件。多輸入開關(guān)需要從每個輸入到V+的肖特基二極管，這增加了更多的成本和電路板空間。

圖3電路為當(dāng)開關(guān)電源電壓不存在時輸入電壓始終關(guān)斷的應(yīng)用提供良好的過壓保護。正向偏置電壓VD（對于常規(guī)硅二極管）通常為0.7V，因此齊納電壓Vz1必須選擇以滿足 VD+ Vz1 < V+。負(fù)軌和Vz也是如此2: |VD+ Vz2|< |V-|。二極管（齊納二極管和標(biāo)準(zhǔn)硅型）的最大額定電壓必須根據(jù)最大可能的故障電壓進行選擇。

圖3.通過外部二極管提供過壓保護。

對于連續(xù)過壓故障（而不是尖峰），放置在地和齊納二極管連接之間的電阻會限制通過該二極管的電流。這種保護的最大缺點是限制了開關(guān)的輸入電壓范圍。由于二極管的偏置電壓差異很大，二極管網(wǎng)絡(luò)的最小/最大限值也會有很大差異。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)尺寸為最壞情況限值時，二極管電流的流動電壓遠(yuǎn)低于電源電壓，從而消除了開關(guān)的軌到軌特性。

與輸入通道串聯(lián)的電阻（kΩ范圍）也可以通過限制流過開關(guān)中箝位二極管的故障電流來提供一定程度的保護。但是，過壓仍會損壞開關(guān)下游的部件。電阻顯著增加了開關(guān)的導(dǎo)通電阻。該電阻隨溫度的任何變化都會破壞信號，開關(guān)流經(jīng)增強導(dǎo)通電阻的漏電流也會損壞信號。

內(nèi)部保護

將故障保護與模擬開關(guān)集成的第一種方法是針對某種類型的多路復(fù)用器，其調(diào)整元件由三個串聯(lián)的MOSFET組成，順序為n溝道/p溝道/n溝道。該架構(gòu)可保護高達(dá) ±100V 的每個信號路徑（圖 4）。多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻在輸入電壓高于電源電壓時迅速增加，通過限制輸入電流來保護自身（以及多路復(fù)用器前后的部件）。限制故障電流可防止故障耦合到另一個通道。

圖4.舊故障保護開關(guān)的導(dǎo)通電阻與信號電壓的關(guān)系。

串聯(lián)MOSFET方法還可以為沒有電源的情況提供保護。另一方面，MAX388或HI-509A等較舊的器件只能在±4.5至±18V范圍內(nèi)工作，采用大封裝，具有高導(dǎo)通電阻（最小值350Ω，最高3.5kΩ），除非低于電源電壓~2V，否則無法通過輸入信號電壓。

對于工作在9V至36V或±4.5至±20V范圍內(nèi)的設(shè)備，解決這些問題的第一步是開發(fā)一種新的開關(guān)架構(gòu)，類似于下面描述的低壓故障保護架構(gòu)。與三FET串聯(lián)技術(shù)相比，新方法實現(xiàn)了重大進步，允許軌到軌操作和降低導(dǎo)通電阻。內(nèi)部電路在檢測到故障時關(guān)閉開關(guān)，從而防止故障通過開關(guān)或多路復(fù)用器傳遞到其他電路。

由于在故障條件下只有漏電流流入開關(guān)或多路復(fù)用器，因此芯片不會因功耗而損壞。與其前代3-FET一樣，采用這種新工藝和架構(gòu)構(gòu)建的開關(guān)和多路復(fù)用器通過恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)來消除斷電時的故障問題。這些器件（包括MAX4511開關(guān)和MAX4508多路復(fù)用器系列）適用于需要±40V故障保護的高壓系統(tǒng)，但不適用于普通的3V和5V系統(tǒng)。所提及的器件未針對該電壓范圍指定，其RDS（ON）使用 5V 電源時，測量單位為數(shù)千歐姆。

低壓故障保護

最新的故障保護開關(guān)系列成員針對采用單極性 3.3V 或 5V 電源或雙極性 ±3.3V 或 ±5V 電源供電進行了優(yōu)化。它們不需要外部保護，并且具有 30Ω （±5V 電源） 或 100Ω （+3V 電源） 的最大導(dǎo)通電阻。

如圖5所示，這些開關(guān)包括一個n溝道FET（N1）和一個p溝道FET（P1），形成從輸入到輸出的低阻值電阻。電源軌內(nèi)或超過供電軌不超過150mV的輸入信號通過開關(guān)傳遞到COM端子，從而允許軌到軌操作。

圖5.低壓故障保護開關(guān)框圖。

兩個比較器通過連續(xù)比較輸入電壓與電源電壓V+和V-來監(jiān)視輸入電壓。當(dāng)常開（常開）或常閉（常閉）上的信號介于 V+ 和 V- 之間時，開關(guān)工作正常。當(dāng)輸出電壓超過電源軌約150mV（故障條件）時，輸出電壓（COM）被限制為電源電壓 - 在相同的極性下，輸入為高阻抗。該操作由故障比較器實現(xiàn)，該比較器關(guān)閉N1和P1。它們還按如下方式控制箝位 FET N2 和 P2：如果開關(guān)在負(fù)故障之前閉合，N2 將 COM 連接到 V-。如果在正故障之前關(guān)閉，P2 將 COM 連接到 V+。如果開關(guān)在故障之前斷開，則輸出假定為高阻抗。

在故障期間，無論開關(guān)狀態(tài)或負(fù)載電阻如何，輸入都假定具有高阻抗。輸入端的最大故障電壓受開關(guān)絕對最大額定值的限制，MAX4711系列的絕對最大額定值為±12V。例如，如果MAX4711器件采用+5V電源供電，則正電源軌上可承受高達(dá)+12V的故障電壓和負(fù)電源軌上高達(dá)-7V的故障電壓保護（5V +|-7V| = 12V）。當(dāng)電源電壓不存在時，該器件為輸入引腳（常開和常閉）提供故障保護，關(guān)斷時保護甚至更好。在這種情況下，任一供電軌的故障電壓均可接近±12V。

邏輯輸入（IN）針對高達(dá)（V-）+12V的正故障提供保護，但負(fù)故障可能僅超過負(fù)電源一個二極管壓降。輸出端子（COM）沒有故障保護，并且（如上所述）COM電壓不應(yīng)超過任一電源電壓超過0.3V。

圖6顯示了閉合、故障保護開關(guān)在兩個極性輸入故障期間的輸出電壓。通常，在輸入電壓超過V+（或V-）約200mV后150ns，輸出（COM）等于正（或負(fù)）電源電壓減去FET引起的壓降。當(dāng)輸入故障返回電源軌內(nèi)時，經(jīng)過700ns （典型值）的延遲，然后輸出恢復(fù)并在輸入后恢復(fù)。該延遲取決于COM輸出的電阻和電容，而不取決于故障幅度。COM處較高的電阻和電容可延長恢復(fù)時間。

圖6.故障條件下的輸入與輸出電壓的關(guān)系。

應(yīng)用

除了明顯使用低壓、故障保護開關(guān)來保護ATE和工業(yè)設(shè)備的模擬輸入外，這些器件還可以減輕許多其他應(yīng)用中的設(shè)計工作和空間要求。

例如，為了避免設(shè)備機架斷電，許多應(yīng)用需要能夠?qū)U展板插入帶電背板。雖然MAX4271等熱插拔控制器可用于限制卡的浪涌電流，但其信號線不易保護。例如，如果將卡插入其數(shù)據(jù)總線通過5V TTL通信的背板，則數(shù)字IC（微控制器、ASIC等）在施加電源電壓之前在其輸入端看到5V。如前所述，這種情況可能會導(dǎo)致閂鎖或損壞電路板。

敏感器件和背板連接之間的低壓故障保護開關(guān)（圖 7）可提供所需的過壓保護。開關(guān)將其COM輸出保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)，直到卡的電源電壓上升并關(guān)閉與背板的開關(guān)連接。開關(guān)的受保護 （NO） 輸入面向背板，在斷電時提供 ±12V 保護，并在存在電源電壓時保護卡免受背板過壓的影響。請注意，來自不同供應(yīng)商的常用邏輯總線開關(guān)不提供這種保護。與標(biāo)準(zhǔn)CMOS器件相比，它們?yōu)殚V鎖電流提供了更高的允許值，但它們不能承受連續(xù)過壓。

圖7.熱插拔背板信號。

圖8中的低壓故障保護開關(guān)在檢測到墻立方體（PS）等外部電源時，通過9V電池（或兩節(jié)串聯(lián)的紐扣鋰電池等）關(guān)閉內(nèi)部電源。通常，開關(guān)由引腳 13 處的電池供電。低壓肖特基二極管可保護不可充電電池在連接外部電源時不被充電。

圖8.存在外部電源時關(guān)閉電池。

引腳 10 上的開關(guān)提取 VCC，在大多數(shù)應(yīng)用中，VCC 由開關(guān)后的穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)。一旦電路板檢測到外部電源電壓，微控制器就會關(guān)閉開關(guān) 1 和 4，并打開開關(guān) 3。輸出電容C在從開關(guān)3到開關(guān)4的轉(zhuǎn)換期間提供系統(tǒng)電源。為保護電池免受損壞，當(dāng)開關(guān) 3 關(guān)閉時，開關(guān) 4 必須始終處于打開狀態(tài)。當(dāng)外部電源被移除時，開關(guān) 4 和 1 打開，開關(guān) 3 閉合。當(dāng)外部電源高于電池電壓時、電池放電并連接外部電源時，或者當(dāng)C充電并取出電池時，故障保護輸入可保護開關(guān)。

審核編輯：郭婷