汽車、軍事和航空電子應(yīng)用中的惡劣環(huán)境將集成電路推向其技術(shù)極限，要求它們承受高電壓和電流、極端溫度和濕度、振動、輻射和各種其他應(yīng)力。系統(tǒng)工程師正在迅速采用高性能電子設(shè)備，以提供安全、娛樂、遠程信息處理、控制和人機界面等應(yīng)用領(lǐng)域的特性和功能。精密電子產(chǎn)品的使用增加的代價是系統(tǒng)復(fù)雜性更高，更容易受到電氣干擾，包括過電壓、閂鎖條件和靜電放電（ESD）事件。由于這些應(yīng)用中使用的電子電路要求高可靠性和對系統(tǒng)故障的高容忍度，因此設(shè)計人員必須同時考慮環(huán)境和所選組件的限制。

此外，制造商為每個集成電路指定絕對最大額定值;必須遵守這些額定值，以保持可靠運行并滿足公布的規(guī)格。當(dāng)超過絕對最大額定值時，無法保證運行參數(shù);甚至針對ESD、過壓或閂鎖的內(nèi)部保護也可能失效，從而導(dǎo)致器件（并可能進一步）損壞或故障。

本文介紹了工程師在將模擬開關(guān)和多路復(fù)用器設(shè)計成惡劣環(huán)境中使用的模塊時面臨的挑戰(zhàn)，并提供了電路設(shè)計人員可用于保護脆弱部件的通用解決方案的建議。它還引入了一些新的集成開關(guān)和多路復(fù)用器，可提供增強的過壓保護、閂鎖抗擾度和故障保護，以應(yīng)對常見的應(yīng)力條件。

標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)架構(gòu)

為了充分了解故障條件對模擬開關(guān)的影響，我們必須首先查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作限制。

標(biāo)準(zhǔn)CMOS開關(guān)（圖1）將N溝道和P溝道MOSFET用于開關(guān)元件、數(shù)字控制邏輯和驅(qū)動器電路。并聯(lián)連接 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 可實現(xiàn)雙向操作，允許模擬輸入電壓擴展到電源軌，同時在整個信號范圍內(nèi)保持相當(dāng)恒定的導(dǎo)通電阻。

圖1.標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)電路。

源極、漏極和邏輯端子包括電源的箝位二極管，以提供ESD保護，如圖1所示。在正常工作時反向偏置，除非信號超過電源電壓，否則二極管不會通過電流。二極管的尺寸因工藝而異，但通常保持較小，以最大限度地減少正常工作時的漏電流。

模擬開關(guān)的控制如下：N溝道器件在正柵源電壓時導(dǎo)通，在負(fù)柵源電壓時關(guān)閉;P溝道器件由互補信號切換，因此與N溝道器件同時開啟。通過將柵極驅(qū)動到相反的電源軌來打開和關(guān)閉開關(guān)。

當(dāng)柵極電壓固定時，任一晶體管的有效驅(qū)動電壓與通過開關(guān)的模擬信號的極性和幅度成比例變化。圖2中的虛線顯示，當(dāng)輸入信號接近電源時，一個器件或另一個器件的通道將開始飽和，導(dǎo)致該器件的導(dǎo)通電阻急劇增加。然而，并聯(lián)器件在電源軌電壓附近相互補償，因此結(jié)果是一個完全軌到軌的開關(guān)，在信號范圍內(nèi)具有相對恒定的導(dǎo)通電阻。

圖2.標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)RON圖。

絕對最大額定值

應(yīng)遵循器件數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的開關(guān)功率要求，以確保最佳性能、操作和使用壽命。遺憾的是，電源故障、惡劣環(huán)境中的電壓瞬變以及實際操作過程中發(fā)生的系統(tǒng)或用戶故障可能導(dǎo)致無法始終如一地滿足數(shù)據(jù)手冊的建議。

每當(dāng)模擬開關(guān)輸入電壓超過電源時，內(nèi)部ESD保護二極管就會正向偏置，即使電源關(guān)閉，也允許大電流流動，從而導(dǎo)致超過額定值。正向偏置時，二極管的額定通過電流不大于幾十毫安;如果該電流不受限制，它們可能會損壞。此外，故障造成的損壞不僅限于開關(guān)，還會影響下游電路。

數(shù)據(jù)手冊的絕對最大額定值部分（圖3）描述了器件可以承受的最大應(yīng)力條件;重要的是要注意，這些只是壓力等級。長時間暴露在絕對最大額定值條件下可能會影響器件的可靠性。設(shè)計人員應(yīng)始終遵循良好的工程實踐，在設(shè)計中增加余量。此處的示例來自標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)/多路復(fù)用器數(shù)據(jù)手冊。

圖3.數(shù)據(jù)手冊的絕對最大額定值部分。

在此示例中，VDD到 V黨衛(wèi)軍參數(shù)額定值為 18 V。額定值由開關(guān)的制造工藝和設(shè)計架構(gòu)決定。任何高于18 V的電壓都必須與開關(guān)完全隔離，否則將超過與工藝相關(guān)的元件的固有擊穿電壓，這可能會損壞器件并導(dǎo)致不可靠的運行。

適用于模擬開關(guān)輸入（帶或不帶電源）的電壓限制通常是由于ESD保護電路造成的，該電路可能因故障條件而失效。

圖4.模擬開關(guān)—ESD 保護二極管。

模擬和數(shù)字輸入電壓規(guī)格限制為超出 V 的 0.3 VDD和 V黨衛(wèi)軍，而數(shù)字輸入電壓限制在高于 V 的 0.3 VDD和地面。當(dāng)模擬輸入超過電源時，內(nèi)部ESD保護二極管變?yōu)檎蚱貌㈤_始導(dǎo)通。如絕對最大額定值部分所述，IN、S或D處的過壓由內(nèi)部二極管箝位。雖然超過30 mA的電流可以通過內(nèi)部二極管而沒有任何明顯影響，但器件的可靠性和壽命可能會降低，并且隨著時間的推移，可能會看到電遷移的影響，即導(dǎo)體中金屬原子的逐漸位移。當(dāng)大電流流過金屬路徑時，移動的電子與導(dǎo)體中的金屬離子相互作用，迫使原子隨著電子的流動而移動。隨著時間的推移，這可能導(dǎo)致開路或短路。

在將開關(guān)設(shè)計到系統(tǒng)中時，重要的是要考慮由于組件故障、用戶錯誤或環(huán)境影響而導(dǎo)致系統(tǒng)中可能發(fā)生的潛在故障。下一節(jié)將討論超過標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)絕對最大額定值的故障條件如何損壞開關(guān)或?qū)е缕浒l(fā)生故障。

常見故障條件、系統(tǒng)應(yīng)力和保護方法

故障情況可能由于許多不同的原因而發(fā)生;表1顯示了一些最常見的系統(tǒng)應(yīng)力及其實際來源：

表 1.

有些壓力可能無法預(yù)防。無論壓力的來源如何，更重要的問題是如何應(yīng)對其影響。下面的問題和答案涵蓋了以下故障條件：過壓、閂鎖和ESD事件，以及一些常見的保護方法。

電壓

什么是過壓情況？

當(dāng)模擬或數(shù)字輸入條件超過絕對最大額定值時，會發(fā)生過壓情況。以下三個示例重點介紹了設(shè)計人員在使用模擬開關(guān)時需要考慮的一些常見問題。

1. 模擬輸入端存在信號時斷電（圖 5）。

在某些應(yīng)用中，模塊的電源丟失，而來自遠程位置的輸入信號可能仍然存在。斷電時，電源軌可能接地，或者一個或多個電源軌可能浮動。如果電源接地，輸入信號可能會正向偏置內(nèi)部二極管，來自開關(guān)輸入的電流將流向地，如果電流不受限制，則會損壞二極管。

圖5.故障路徑。

如果斷電導(dǎo)致電源懸空，則輸入信號可通過內(nèi)部二極管為器件供電。因此，開關(guān)（以及可能從其 V 運行的任何其他組件）都會導(dǎo)致DD電源 - 可能已通電。

2. 模擬輸入的過壓條件。

當(dāng)模擬信號超過電源（VDD和 V黨衛(wèi)軍），電源可被拉至故障信號的二極管壓降以內(nèi)。內(nèi)部二極管變?yōu)檎蚱茫娏鲝妮斎胄盘柫飨螂娫础＿^壓信號也可能通過開關(guān)并損壞下游部件。通過考慮P溝道FET（圖6）可以看出對此的解釋。

圖6.場效應(yīng)管開關(guān)。

P 溝道 FET 需要一個負(fù)柵源電壓才能導(dǎo)通。開關(guān)門等于 V 時DD，柵源電壓為正，因此開關(guān)關(guān)閉。在未上電電路中，開關(guān)柵極為0 V或輸入信號超過VDD，信號將通過開關(guān)，因為現(xiàn)在有一個負(fù)的柵源電壓。

3. 施加于由單電源供電的開關(guān)的雙極性信號。

這種情況類似于前面描述的過壓情況。當(dāng)輸入信號低于地電位時，就會發(fā)生故障，導(dǎo)致二極管從模擬輸入到地，再到正向偏置和電流流動。當(dāng)將偏置為0 V dc的交流信號施加到開關(guān)輸入端時，寄生二極管可以在輸入波形的負(fù)半周期的某些部分進行正向偏置。如果輸入正弦波低于約–0.6 V，打開二極管并削波輸入信號，就會發(fā)生這種情況，如圖7所示。

圖7.裁剪。

處理過壓情況的最佳方法是什么？

上面的三個示例是模擬輸入超過電源的結(jié)果 - VDD， V黨衛(wèi)軍應(yīng)對這些情況的簡單保護方法包括增加外部電阻器、電源中的肖特基二極管，以及在電源上增加阻斷二極管。

為了限制電流，電阻與任何暴露于外部電源的開關(guān)通道串聯(lián)放置（圖 8）。電阻必須足夠高，以將電流限制在大約30 mA（或絕對最大額定值指定）。明顯的缺點是R的增加上， ?R上、每個通道，并最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)錯誤。此外，對于使用多路復(fù)用器的應(yīng)用，漏極可能會出現(xiàn)關(guān)斷通道源極上的故障，從而在其他通道上產(chǎn)生錯誤。

圖8.電阻二極管保護網(wǎng)絡(luò)。

從模擬輸入連接到電源的肖特基二極管提供保護，但代價是漏電和電容。二極管的工作原理是防止輸入信號超過電源電壓0.3 V至0.4 V，確保內(nèi)部二極管不會正向偏置，電流不會流動。通過肖特基二極管轉(zhuǎn)移電流可保護器件，但必須注意不要對外部元件施加過大壓力。

第三種保護方法是將阻斷二極管與電源串聯(lián)（圖 9），阻止電流流過內(nèi)部二極管。輸入端故障導(dǎo)致電源浮動，最正和最負(fù)的輸入信號成為電源。只要電源不超過過程的絕對最大額定值，器件就應(yīng)該可以承受故障。這種方法的缺點是，由于電源上的二極管，模擬信號范圍縮小。此外，施加到輸入端的信號可能會通過器件并影響下游電路。

圖9.與電源串聯(lián)的阻斷二極管。

雖然這些保護方法各有優(yōu)缺點，但它們都需要外部元件、額外的電路板面積和額外的成本。這在具有高通道數(shù)的應(yīng)用中尤其重要。為了消除對外部保護電路的需求，設(shè)計人員應(yīng)尋找能夠承受這些故障的集成保護解決方案。ADI公司提供多種開關(guān)/多路復(fù)用器系列，具有針對斷電、過壓和負(fù)信號的集成保護。

有哪些預(yù)打包解決方案可用？

ADI公司的ADG4612和ADG4613具有低導(dǎo)通電阻和失真特性，非常適合需要高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。導(dǎo)通電阻曲線在整個模擬輸入范圍內(nèi)非常平坦，確保出色的線性度和低失真。

ADG4612系列提供斷電保護、過壓保護和負(fù)信號處理，所有情況都是標(biāo)準(zhǔn)CMOS開關(guān)無法處理的。

當(dāng)沒有電源時，開關(guān)保持關(guān)閉狀態(tài)。開關(guān)輸入具有高阻抗，限制了可能損壞開關(guān)或下游電路的電流。這在電源打開之前開關(guān)輸入端可能存在模擬信號的應(yīng)用中非常有用，或者用戶無法控制電源時序。在關(guān)斷條件下，最高16 V的信號電平被阻斷。此外，如果模擬輸入信號電平超過V，開關(guān)將關(guān)閉DD由 VT.

圖 10.ADG4612/ADG4613開關(guān)架構(gòu)。

圖10顯示了該系列斷電保護架構(gòu)的框圖。持續(xù)監(jiān)控開關(guān)源極和漏極輸入，并與電源電壓 V 進行比較DD和 V黨衛(wèi)軍.在正常工作時，該開關(guān)的行為與標(biāo)準(zhǔn)CMOS開關(guān)一樣，具有全軌到軌操作。但是，在源極或漏極輸入超過電源閾值電壓的故障條件下，內(nèi)部故障電路會檢測過壓情況并將開關(guān)置于隔離模式。

ADI公司還提供多路復(fù)用器和通道保護器，在器件上通電（±15 V）和+55 V/–40 V未供電時，可承受超出電源電壓+40 V/–25 V的過壓條件。這些器件專門設(shè)計用于處理斷電條件引起的故障。

圖 11.高壓故障保護開關(guān)架構(gòu)。

這些器件包括串聯(lián)的 N 溝道、P 溝道和 N 溝道 MOSFET，如圖 11 所示。當(dāng)其中一個模擬輸入或輸出超過電源時，其中一個MOSFET關(guān)斷，多路復(fù)用器輸入（或輸出）顯示為開路，輸出被箝位到電源軌內(nèi)，從而防止過壓損壞多路復(fù)用器之后的任何電路。這可以保護多路復(fù)用器、其驅(qū)動的電路以及驅(qū)動多路復(fù)用器的傳感器或信號源。當(dāng)電源丟失（例如，通過電池斷開或電源故障）或暫時斷開（例如機架系統(tǒng)）時，所有晶體管都關(guān)閉，電流被限制在亞納安級。ADG508F、ADG509F和ADG528F包括具有此類功能的8：1和差分4：1多路復(fù)用器。

ADG465單通道和ADG467八通道保護器具有與故障保護多路復(fù)用器相同的保護架構(gòu)，但沒有開關(guān)功能。上電時，通道始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，但在發(fā)生故障時，輸出被箝位至電源電壓以內(nèi)。

閂鎖

什么是閂鎖條件？

閂鎖可以定義為觸發(fā)寄生器件在電源軌之間產(chǎn)生低阻抗路徑。CMOS 器件中會出現(xiàn)閂鎖：當(dāng)兩個寄生基極-發(fā)射極結(jié)中的一個瞬時正向偏置時，本征寄生器件會形成 PNPN SCR 結(jié)構(gòu)（圖 12）。SCR 接通，導(dǎo)致電源之間持續(xù)短路。觸發(fā)閂鎖條件很嚴(yán)重：在“最佳”情況下，它會導(dǎo)致設(shè)備故障，需要電源循環(huán)才能將設(shè)備恢復(fù)正常運行;在最壞的情況下，如果不限制電流，設(shè)備（以及可能的電源）可能會被破壞。

圖 12.寄生可控硅結(jié)構(gòu)：a）器件b）等效電路。

前面描述的故障和過壓情況是觸發(fā)閂鎖條件的常見原因之一。如果模擬或數(shù)字輸入端的信號超過電源電壓，則寄生晶體管導(dǎo)通。該晶體管的集電極電流在第二個寄生晶體管的基極發(fā)射極上引起壓降，從而打開晶體管，并在電源之間產(chǎn)生自維持路徑。圖12（b）清楚地顯示了Q1和Q2之間形成的SCR電路結(jié)構(gòu)。

事件不需要持續(xù)很長時間即可觸發(fā)閂鎖。短暫的瞬變、尖峰或ESD事件可能足以導(dǎo)致器件進入閂鎖狀態(tài)。

當(dāng)電源電壓的應(yīng)力超過器件的絕對最大額定值時，也可能發(fā)生閂鎖，從而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)擊穿和SCR觸發(fā)。

當(dāng)電源電壓升高到足以擊穿內(nèi)部結(jié)點，從而向SCR注入電流時，就會發(fā)生第二種觸發(fā)機制。

處理閂鎖情況的最佳方法是什么？

防止閂鎖的保護方法包括與推薦用于解決過壓情況的相同保護方法。如圖8和圖9所示，在信號路徑中添加限流電阻、在電源中添加肖特基二極管以及與電源串聯(lián)的二極管都有助于防止電流流入寄生晶體管，從而防止SCR觸發(fā)。

具有多個電源的開關(guān)可能存在額外的電源排序問題，這些問題可能會違反絕對最大額定值。電源排序不當(dāng)會導(dǎo)致內(nèi)部二極管導(dǎo)通并觸發(fā)閂鎖。連接在電源之間的外部肖特基二極管將充分防止SCR導(dǎo)通，確保當(dāng)多個電源施加到開關(guān)時，VDD始終在這些電源的二極管壓降（肖特基為0.3 V）內(nèi)，從而防止違反最大額定值。

有哪些預(yù)打包解決方案可用？

作為使用外部保護的替代方案，一些IC采用外延層工藝制造，這增加了SCR結(jié)構(gòu)中的基板和N孔電阻。較高的電阻意味著需要更苛刻的應(yīng)力來觸發(fā)SCR，從而使器件不易發(fā)生閂鎖。ADI公司的CMOS工藝就是一個例子，該工藝使ADG121x、ADG141x和ADG161x開關(guān)/多路復(fù)用器系列成為可能。 ?

對于需要防閂鎖解決方案的應(yīng)用，新型溝槽隔離開關(guān)和多路復(fù)用器可確保在高達 ±20 V 的高壓工業(yè)應(yīng)用中防止閂鎖。ADG541x和ADG521x系列專為儀器儀表、汽車、航空電子設(shè)備和其他可能導(dǎo)致閂鎖的惡劣環(huán)境而設(shè)計。該工藝使用在每個CMOS開關(guān)的N溝道和P溝道晶體管之間放置的絕緣氧化層（溝槽）。水平和垂直的氧化層在設(shè)備之間產(chǎn)生完全隔離。消除了結(jié)隔離開關(guān)中晶體管之間的寄生結(jié)，從而實現(xiàn)了完全防閂鎖的開關(guān)。

圖 13.防止閂鎖的溝槽隔離。

行業(yè)慣例是根據(jù)I/O引腳在過壓條件下可以供應(yīng)或吸收的過量電流量，在內(nèi)部寄生電阻產(chǎn)生足夠的壓降以維持閂鎖條件之前，對輸入和輸出對閂鎖的敏感性進行分類。

通常認(rèn)為100 mA的值就足夠了。ADG5412防閂鎖系列器件在1 ms脈沖下承受的壓力為±500 mA，無故障。ADI公司的閂鎖測試根據(jù)EIA/JEDEC-78（IC閂鎖測試）進行。

ESD — 靜電放電

什么是靜電放電事件？

通常，器件暴露的最常見的電壓瞬變類型ESD可以定義為兩個物體之間以不同靜電勢的單一、快速、大電流靜電電荷轉(zhuǎn)移。我們經(jīng)常在穿過絕緣表面（例如地毯）后遇到這種情況，存儲電荷，然后觸摸接地的設(shè)備，導(dǎo)致放電通過設(shè)備，在短時間內(nèi)流動高電流。

ESD事件產(chǎn)生的高電壓和高峰值電流可能會損壞IC。ESD事件對模擬開關(guān)的影響可能包括可靠性隨時間推移而降低、開關(guān)性能下降、通道泄漏增加或器件完全故障。

ESD事件可能發(fā)生在IC生命周期的任何階段，從制造到測試、處理、OEM用戶和最終用戶操作。為了評估IC對各種ESD事件的魯棒性，確定了模擬以下模擬應(yīng)力環(huán)境的電脈沖電路：人體模型（HBM），場感應(yīng)帶電器件模型（FICDM）和機器模型（MM）。

處理可持續(xù)發(fā)展教育事件的最佳方法是什么？

ESD預(yù)防方法，例如保持靜電安全的工作區(qū)域，用于避免在生產(chǎn)，組裝和存儲過程中出現(xiàn)任何堆積物。這些環(huán)境以及在其中工作的個人通常可以仔細(xì)控制，但設(shè)備后來發(fā)現(xiàn)自己所處的環(huán)境可能不受控制。

模擬開關(guān)ESD保護通常采用從模擬和數(shù)字輸入到電源的二極管形式，以及電源之間以二極管形式提供的電源保護，如圖14所示。

圖 14.模擬開關(guān)ESD保護。

保護二極管箝位電壓瞬變并將電流轉(zhuǎn)移到電源。這些保護器件的缺點是，它們在正常工作時會向信號路徑增加電容和泄漏，這在某些應(yīng)用中可能是不希望的。

對于需要更強的ESD事件保護的應(yīng)用，通常使用齊納二極管、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）和二極管等分立元件。但是，由于信號線上的額外電容和泄漏，它們可能導(dǎo)致信號完整性問題;這意味著設(shè)計工程師需要仔細(xì)考慮性能和可靠性之間的權(quán)衡。

有哪些預(yù)打包解決方案可用？

雖然絕大多數(shù)ADI開關(guān)/多路復(fù)用器產(chǎn)品至少滿足±2 kV的HBM水平，但其他產(chǎn)品在魯棒性方面超越了這一點，實現(xiàn)了高達±8 kV的HBM額定值。ADG541x系列產(chǎn)品的額定電壓為±8 kV HBM、±1.5 kV FICDM額定值和±400 V MM額定值，兼具高壓性能和魯棒性，是業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者。

結(jié)論

當(dāng)開關(guān)或多路復(fù)用器輸入來自遠程源時，發(fā)生故障的可能性增加。由于系統(tǒng)電源排序設(shè)計不佳或需要熱插拔插入，可能會發(fā)生過壓情況。在惡劣的電氣環(huán)境中，如果沒有保護，由于連接不良或電感耦合引起的瞬態(tài)電壓可能會損壞組件。電源故障也可能發(fā)生故障，其中電源連接丟失，而開關(guān)輸入仍然暴露在模擬信號中。這些故障條件可能會導(dǎo)致重大損壞，可能導(dǎo)致?lián)p壞并需要昂貴的維修。雖然使用了許多保護設(shè)計技術(shù)來處理故障，但它們會增加額外的成本和電路板面積，并且通常需要在開關(guān)性能上進行權(quán)衡;即使實施了外部保護，下游電路也并不總是受到保護。由于模擬開關(guān)和多路復(fù)用器通常是模塊最有可能出現(xiàn)故障的電子元件，因此了解它們在暴露于超過絕對最大額定值的條件時的行為非常重要。

開關(guān)/多路復(fù)用器產(chǎn)品（如此處提到的器件）具有集成保護功能，使設(shè)計人員無需外部保護電路，從而減少了電路板設(shè)計中組件的數(shù)量和成本。在通道數(shù)較高的應(yīng)用中，節(jié)省的成本更為顯著。

最終，使用具有故障保護、過壓保護、閂鎖抗性和高ESD額定值的開關(guān)，可以產(chǎn)生符合行業(yè)法規(guī)的穩(wěn)健產(chǎn)品，并提高客戶和最終用戶的滿意度。

審核編輯：郭婷