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

當今系統的標準電源電壓（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。當電路板電源關閉時，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用器或開關，因此它們必須保護下游電路。

模擬開關中的調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ESD保護。圖1所示為閉合模擬開關的等效電路圖。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.閉合開關的等效電路圖。

由于電源電壓排序不當會導致過壓故障，因此許多開關要求首先施加最正的電壓，最后施加最負的電壓。電源關閉時的輸入電壓或超過電源電壓的輸入電壓會導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的半導體工藝），然后由于功耗引起的熱量會永久損壞開關。

較低的電流水平會導致閂鎖，即開關發生故障并從電源吸收過多電流的情況。在大多數情況下，您可以通過從開關中移除所有電壓來終止閂鎖而不會損壞開關，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+的大多數數字器件來說太高了。即使V+僅為開關供電，并且開關能夠承受故障，高壓也可能通過閉合開關并損壞下游部件。多輸入開關需要從每個輸入到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電路為當開關電源電壓不存在時輸入電壓始終關斷的應用提供良好的過壓保護。正向偏置電壓VD（對于常規硅二極管）通常為0.7V，因此齊納電壓Vz1必須選擇以滿足 VD+ Vz1 < V+。負軌和Vz也是如此2: |VD+ Vz2|< |V-|。二極管（齊納二極管和標準硅型）的最大額定電壓必須根據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，二極管網絡的最小/最大限值也會有很大差異。當網絡尺寸為最壞情況限值時，二極管電流的流動電壓遠低于電源電壓，從而消除了開關的軌到軌特性。

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

內部保護

將故障保護與模擬開關集成的第一種方法是針對某種類型的多路復用器，其調整元件由三個串聯的MOSFET組成，順序為n溝道/p溝道/n溝道。該架構可保護高達 ±100V 的每個信號路徑（圖 4）。多路復用器的導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.舊故障保護開關的導通電阻與信號電壓的關系。

串聯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范圍內工作，采用大封裝，具有高導通電阻（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范圍內的設備，解決這些問題的第一步是開發一種新的開關架構，類似于下面描述的低壓故障保護架構。與三FET串聯技術相比，新方法實現了重大進步，允許軌到軌操作和降低導通電阻。內部電路在檢測到故障時關閉開關，從而防止故障通過開關或多路復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或多路復用器，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構建的開關和多路復用器通過恢復到高阻抗狀態來消除斷電時的故障問題。這些器件（包括MAX4511開關和MAX4508多路復用器系列）適用于需要±40V故障保護的高壓系統，但不適用于普通的3V和5V系統。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，測量單位為數千歐姆。

低壓故障保護

最新的故障保護開關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） 的最大導通電阻。

如圖5所示，這些開關包括一個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。電源軌內或超過供電軌不超過150mV的輸入信號通過開關傳遞到COM端子，從而允許軌到軌操作。

圖5.低壓故障保護開關框圖。

兩個比較器通過連續比較輸入電壓與電源電壓V+和V-來監視輸入電壓。當常開（常開）或常閉（常閉）上的信號介于 V+ 和 V- 之間時，開關工作正常。當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，該比較器關閉N1和P1。它們還按如下方式控制箝位 FET N2 和 P2：如果開關在負故障之前閉合，N2 將 COM 連接到 V-。如果在正故障之前關閉，P2 將 COM 連接到 V+。如果開關在故障之前斷開，則輸出假定為高阻抗。

在故障期間，無論開關狀態或負載電阻如何，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+12V的故障電壓和負電源軌上高達-7V的故障電壓保護（5V +|-7V| = 12V）。當電源電壓不存在時，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（V-）+12V的正故障提供保護，但負故障可能僅超過負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）電源電壓減去FET引起的壓降。當輸入故障返回電源軌內時，經過700ns （典型值）的延遲，然后輸出恢復并在輸入后恢復。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時間。

圖6.故障條件下的輸入與輸出電壓的關系。

應用

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

例如，為了避免設備機架斷電，許多應用需要能夠將擴展板插入帶電背板。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，如果將卡插入其數據總線通過5V TTL通信的背板，則數字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（圖 7）可提供所需的過壓保護。開關將其COM輸出保持在高阻抗狀態，直到卡的電源電壓上升并關閉與背板的開關連接。開關的受保護 （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，來自不同供應商的常用邏輯總線開關不提供這種保護。與標準CMOS器件相比，它們為閂鎖電流提供了更高的允許值，但它們不能承受連續過壓。

圖7.熱插拔背板信號。

圖8中的低壓故障保護開關在檢測到墻立方體（PS）等外部電源時，通過9V電池（或兩節串聯的紐扣鋰電池等）關閉內部電源。通常，開關由引腳 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.存在外部電源時關閉電池。

引腳 10 上的開關提取 VCC，在大多數應用中，VCC 由開關后的穩壓器調節。一旦電路板檢測到外部電源電壓，微控制器就會關閉開關 1 和 4，并打開開關 3。輸出電容C在從開關3到開關4的轉換期間提供系統電源。為保護電池免受損壞，當開關 3 關閉時，開關 4 必須始終處于打開狀態。當外部電源被移除時，開關 4 和 1 打開，開關 3 閉合。當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C充電并取出電池時，故障保護輸入可保護開關。

審核編輯：郭婷