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為敏感電子信號輸入提供過壓保護的新型可靠方法

星星科技指導員 ? 來源:ADI ? 作者:Thomas Brand ? 2022-12-21 15:12 ? 次閱讀

電子系統魯棒性的高要求,特別是在工業環境中,不斷給開發人員帶來巨大的挑戰。過壓保護是一個關鍵的設計考慮因素和挑戰,因為通常需要額外的組件來保護系統免受過壓事件的影響,但它們經常影響,在最壞的情況下,甚至可能使信號失真。除此之外,這些組件會產生額外的成本并導致空間限制。因此,在設計保護電路時,傳統解決方案通常需要在系統精度和保護級別之間進行折衷。

通常,常見且簡單的設計方法使用外部保護二極管,通常是瞬態電壓抑制器(TVS)二極管,箝位在信號線和電源或接地之間。TVS二極管是有利的,因為它們可以對臨時電壓尖峰做出瞬時反應。這種類型的外部過壓保護如圖1的左側所示。

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圖1.傳統的過壓保護設計,帶有額外的分立元件。

如果出現正瞬態電壓脈沖,則用電流通過二極管D1箝位至VDD。因此,電壓被限制為VDD加上二極管正向電壓。如果脈沖為負且小于VSS,則同樣適用,但通過D2將其鉗位到VSS。但是,如果過電壓引起的漏電流不受限制,則可能會損壞二極管。因此,路徑中還有一個限流電阻。對于非常惡劣的環境條件,通常使用輸入側雙向TVS二極管來增強保護。

這種類型的保護電路的缺點是,例如,增加邊沿上升和下降時間以及電容效應。此外,當電路處于斷電狀態時,它不提供任何保護。

實際組件,如模數轉換器ADC)、運算放大器等,通常具有集成保護功能。這可以包括一個交換機架構,如圖1右側所示。圖1還顯示,兩個電源軌上都有輸入側和輸出側保護二極管。這種設置的缺點是,當浮動信號處于斷電狀態(IC未上電)時,開關可能像處于活動狀態一樣工作(即使設置為OFF),因為電流將流過二極管和電源軌。這允許電流通過,導致信號線失去保護。

故障保護交換機架構

應對上述挑戰的一種解決方案是采用故障保護開關架構,輔以雙向ESD單元,如圖2所示。現在,ESD單元通過不斷比較輸入電壓與VDD或VSS來箝位電壓瞬變,而不是輸入側TVS二極管。在永久過壓的情況下,下游開關自動打開。輸入電壓不再受箝位在電源軌上的保護二極管的限制。現在的限制因素是開關的最大額定電壓。更高的系統穩健性和可靠性是額外的優勢。對實際信號及其準確性幾乎沒有影響。此外,不需要額外的限流電阻,因為當開關斷開時漏電流非常低。

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圖2.具有集成雙向ESD單元的過壓保護。

這種類型的輸入結構是ADI公司ADI)的四通道SPST(單刀、單擲)開關ADG5412F的特征。無論現有電源如何,該開關都允許高達 ±55 V 的永久過壓。集成在四個通道上的每一個通道上的ESD單元可箝位高達5.5 kV的電壓瞬變。在過壓情況下,只有受影響的通道被打開,其他通道繼續正常工作。

結論

由于這種類型的過壓保護開關,電路可以大大簡化。與傳統的分立解決方案相比,無論是在保證精確信號鏈中的最佳開關性能和魯棒性方面,還是在空間優化方面,其優勢都是多方面的。因此,ADG5412F提供的過壓保護特別適合惡劣環境中的高精度測量應用。

審核編輯:郭婷

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