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New, Robust Approach to Overvoltage Protection for Sensitive Electronic Signal Inputs 作者：Thomas Brand，ADI公司現場(chǎng)應用工程師 對電子系統可靠性的高要求，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。過(guò)壓保護是一個(gè)關(guān)鍵的設計考量因素和挑戰，因為要保護系統不受過(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 )對系統產(chǎn)生影響，在最壞的情況下，甚至會(huì )產(chǎn)生錯誤信號。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，在設計保護電路時(shí)，傳統的解決方案往往需要在系統精度和保護等級之間做出妥協(xié)。 通常，常見(jiàn)的簡(jiǎn)單設計方法是使用外部保護二極管，通常是瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管，安裝在信號線(xiàn)和電源線(xiàn)或接地線(xiàn)之間。TVS二極管相當有用，因為他們可以快速對瞬態(tài)的電壓峰值作出反應。圖1左側所示的就是這種類(lèi)型的外部過(guò)壓保護。 
圖1.采用額外的分立式組件的傳統型過(guò)壓保護設計 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保護。 這種類(lèi)型的保護電路的缺點(diǎn)包括增加信號上升和下降時(shí)間以及電容效應。此外，當電路處于斷電狀態(tài)時(shí)，不提供任何保護。 實(shí)際的器件，例如模數轉換器(ADC)、運算放大器等，通常都內置保護功能。如圖1右側所示，此保護功能由開(kāi)關(guān)架構構成。從圖1還可以看出，電源軌兩側都配有輸入端和輸出端保護二極管。這種設置存在缺點(diǎn)，當浮動(dòng)信號在斷電狀態(tài)（IC沒(méi)有通電）下出現時(shí)，開(kāi)關(guān)可能會(huì )像處于活動(dòng)狀態(tài)一樣（即使設置為關(guān)閉），電流會(huì )流經(jīng)二極管和電源軌。這種現象將允許電流通過(guò)信號線(xiàn)路，導致信號線(xiàn)路失去保護。 故障保護開(kāi)關(guān)架構 解決上述問(wèn)題的一種方法是使用配有雙向ESD單元的故障保護開(kāi)關(guān)架構，如圖2所示�，F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(cháng)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)現更高的系統魯棒性和可靠性，且不會(huì )對實(shí)際信號及其精度產(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 ADI公司(ADI)提供的四通道單刀單擲(SPST)開(kāi)關(guān)ADG5412F采用了這種輸入結構。無(wú)論現有電源多大，此開(kāi)關(guān)都可以承受高達±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)，其他通道繼續正常工作。 結論 得益于這種過(guò)壓保護開(kāi)關(guān)，電路可以大大簡(jiǎn)化。與傳統的分立式解決方案相比，無(wú)論是在確保精密信號鏈的出色開(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。因此，ADG5412F提供的過(guò)壓保護特別適用于惡劣環(huán)境下的高精度測量應用。 作者簡(jiǎn)介 Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場(chǎng)應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)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(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。 |
