惡劣環境下的開關和多路復用器設計注意事項

汽車、軍事和航空電子應用中的惡劣環境將集成電路推向其技術極限，要求它們承受高電壓和電流、極端溫度和濕度、振動、輻射和各種其他應力。系統工程師正在迅速采用高性能電子設備，以提供安全、娛樂、遠程信息處理、控制和人機界面等應用領域的特性和功能。精密電子產品的使用增加的代價是系統復雜性更高，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。由于這些應用中使用的電子電路要求高可靠性和對系統故障的高容忍度，因此設計人員必須同時考慮環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格。當超過絕對最大額定值時，無法保證運行參數;甚至針對ESD、過壓或閂鎖的內部保護也可能失效，從而導致器件（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和多路復用器設計成惡劣環境中使用的模塊時面臨的挑戰，并提供了電路設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和多路復用器，可提供增強的過壓保護、閂鎖抗擾度和故障保護，以應對常見的應力條件。

標準模擬開關架構

為了充分了解故障條件對模擬開關的影響，我們必須首先查看其內部結構和工作限制。

標準CMOS開關（圖1）將N溝道和P溝道MOSFET用于開關元件、數字控制邏輯和驅動器電路。并聯連接 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 可實現雙向操作，允許模擬輸入電壓擴展到電源軌，同時在整個信號范圍內保持相當恒定的導通電阻。

圖1.標準模擬開關電路。

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。

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

當柵極電壓固定時，任一晶體管的有效驅動電壓與通過開關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，導致該器件的導通電阻急劇增加。然而，并聯器件在電源軌電壓附近相互補償，因此結果是一個完全軌到軌的開關，在信號范圍內具有相對恒定的導通電阻。

圖2.標準模擬開關RON圖。

絕對最大額定值

應遵循器件數據手冊中規定的開關功率要求，以確保最佳性能、操作和使用壽命。遺憾的是，電源故障、惡劣環境中的電壓瞬變以及實際操作過程中發生的系統或用戶故障可能導致無法始終如一地滿足數據手冊的建議。

每當模擬開關輸入電壓超過電源時，內部ESD保護二極管就會正向偏置，即使電源關閉，也允許大電流流動，從而導致超過額定值。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，還會影響下游電路。

數據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。設計人員應始終遵循良好的工程實踐，在設計中增加余量。此處的示例來自標準開關/多路復用器數據手冊。

圖3.數據手冊的絕對最大額定值部分。

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

適用于模擬開關輸入（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—ESD 保護二極管。

模擬和數字輸入電壓規格限制為超出 V 的 0.3 VDD和 V黨衛軍，而數字輸入電壓限制在高于 V 的 0.3 VDD和地面。當模擬輸入超過電源時，內部ESD保護二極管變為正向偏置并開始導通。如絕對最大額定值部分所述，IN、S或D處的過壓由內部二極管箝位。雖然超過30 mA的電流可以通過內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，即導體中金屬原子的逐漸位移。當大電流流過金屬路徑時，移動的電子與導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，這可能導致開路或短路。

在將開關設計到系統中時，重要的是要考慮由于組件故障、用戶錯誤或環境影響而導致系統中可能發生的潛在故障。下一節將討論超過標準模擬開關絕對最大額定值的故障條件如何損壞開關或導致其發生故障。

常見故障條件、系統應力和保護方法

故障情況可能由于許多不同的原因而發生;表1顯示了一些最常見的系統應力及其實際來源：

表 1.

有些壓力可能無法預防。無論壓力的來源如何，更重要的問題是如何應對其影響。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？

當模擬或數字輸入條件超過絕對最大額定值時，會發生過壓情況。以下三個示例重點介紹了設計人員在使用模擬開關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部二極管，來自開關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。

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

2. 模擬輸入的過壓條件。

當模擬信號超過電源（VDD和 V黨衛軍），電源可被拉至故障信號的二極管壓降以內。內部二極管變為正向偏置，電流從輸入信號流向電源。過壓信號也可能通過開關并損壞下游部件。通過考慮P溝道FET（圖6）可以看出對此的解釋。

圖6.場效應管開關。

P 溝道 FET 需要一個負柵源電壓才能導通。開關門等于 V 時DD，柵源電壓為正，因此開關關閉。在未上電電路中，開關柵極為0 V或輸入信號超過VDD，信號將通過開關，因為現在有一個負的柵源電壓。

3. 施加于由單電源供電的開關的雙極性信號。

這種情況類似于前面描述的過壓情況。當輸入信號低于地電位時，就會發生故障，導致二極管從模擬輸入到地，再到正向偏置和電流流動。當將偏置為0 V dc的交流信號施加到開關輸入端時，寄生二極管可以在輸入波形的負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果 - VDD， V黨衛軍應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通道串聯放置（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，并最終導致整個系統錯誤。此外，對于使用多路復用器的應用，漏極可能會出現關斷通道源極上的故障，從而在其他通道上產生錯誤。

圖8.電阻二極管保護網絡。

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（圖 9），阻止電流流過內部二極管。輸入端故障導致電源浮動，最正和最負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.與電源串聯的阻斷二極管。

雖然這些保護方法各有優缺點，但它們都需要外部元件、額外的電路板面積和額外的成本。這在具有高通道數的應用中尤其重要。為了消除對外部保護電路的需求，設計人員應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/多路復用器系列，具有針對斷電、過壓和負信號的集成保護。

有哪些預打包解決方案可用？

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

ADG4612系列提供斷電保護、過壓保護和負信號處理，所有情況都是標準CMOS開關無法處理的。

當沒有電源時，開關保持關閉狀態。開關輸入具有高阻抗，限制了可能損壞開關或下游電路的電流。這在電源打開之前開關輸入端可能存在模擬信號的應用中非常有用，或者用戶無法控制電源時序。在關斷條件下，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，開關將關閉DD由 VT.

圖 10.ADG4612/ADG4613開關架構。

圖10顯示了該系列斷電保護架構的框圖。持續監控開關源極和漏極輸入，并與電源電壓 V 進行比較DD和 V黨衛軍.在正常工作時，該開關的行為與標準CMOS開關一樣，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，內部故障電路會檢測過壓情況并將開關置于隔離模式。

ADI公司還提供多路復用器和通道保護器，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。這些器件專門設計用于處理斷電條件引起的故障。

圖 11.高壓故障保護開關架構。

這些器件包括串聯的 N 溝道、P 溝道和 N 溝道 MOSFET，如圖 11 所示。當其中一個模擬輸入或輸出超過電源時，其中一個MOSFET關斷，多路復用器輸入（或輸出）顯示為開路，輸出被箝位到電源軌內，從而防止過壓損壞多路復用器之后的任何電路。這可以保護多路復用器、其驅動的電路以及驅動多路復用器的傳感器或信號源。當電源丟失（例如，通過電池斷開或電源故障）或暫時斷開（例如機架系統）時，所有晶體管都關閉，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多路復用器。

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

閂鎖

什么是閂鎖條件？

閂鎖可以定義為觸發寄生器件在電源軌之間產生低阻抗路徑。CMOS 器件中會出現閂鎖：當兩個寄生基極-發射極結中的一個瞬時正向偏置時，本征寄生器件會形成 PNPN SCR 結構（圖 12）。SCR 接通，導致電源之間持續短路。觸發閂鎖條件很嚴重：在“最佳”情況下，它會導致設備故障，需要電源循環才能將設備恢復正常運行;在最壞的情況下，如果不限制電流，設備（以及可能的電源）可能會被破壞。

圖 12.寄生可控硅結構：a）器件b）等效電路。

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

事件不需要持續很長時間即可觸發閂鎖。短暫的瞬變、尖峰或ESD事件可能足以導致器件進入閂鎖狀態。

當電源電壓的應力超過器件的絕對最大額定值時，也可能發生閂鎖，從而導致內部結擊穿和SCR觸發。

當電源電壓升高到足以擊穿內部結點，從而向SCR注入電流時，就會發生第二種觸發機制。

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。

具有多個電源的開關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。電源排序不當會導致內部二極管導通并觸發閂鎖。連接在電源之間的外部肖特基二極管將充分防止SCR導通，確保當多個電源施加到開關時，VDD始終在這些電源的二極管壓降（肖特基為0.3 V）內，從而防止違反最大額定值。

有哪些預打包解決方案可用？

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結構中的基板和N孔電阻。較高的電阻意味著需要更苛刻的應力來觸發SCR，從而使器件不易發生閂鎖。ADI公司的CMOS工藝就是一個例子，該工藝使ADG121x、ADG141x和ADG161x開關/多路復用器系列成為可能。 ?

對于需要防閂鎖解決方案的應用，新型溝槽隔離開關和多路復用器可確保在高達 ±20 V 的高壓工業應用中防止閂鎖。ADG541x和ADG521x系列專為儀器儀表、汽車、航空電子設備和其他可能導致閂鎖的惡劣環境而設計。該工藝使用在每個CMOS開關的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備之間產生完全隔離。消除了結隔離開關中晶體管之間的寄生結，從而實現了完全防閂鎖的開關。

圖 13.防止閂鎖的溝槽隔離。

行業慣例是根據I/O引腳在過壓條件下可以供應或吸收的過量電流量，在內部寄生電阻產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、大電流靜電電荷轉移。我們經常在穿過絕緣表面（例如地毯）后遇到這種情況，存儲電荷，然后觸摸接地的設備，導致放電通過設備，在短時間內流動高電流。

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

ESD事件可能發生在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力環境的電脈沖電路：人體模型（HBM），場感應帶電器件模型（FICDM）和機器模型（MM）。

處理可持續發展教育事件的最佳方法是什么？

ESD預防方法，例如保持靜電安全的工作區域，用于避免在生產，組裝和存儲過程中出現任何堆積物。這些環境以及在其中工作的個人通?？梢宰屑毧刂?，但設備后來發現自己所處的環境可能不受控制。

模擬開關ESD保護通常采用從模擬和數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ESD保護。

保護二極管箝位電壓瞬變并將電流轉移到電源。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，這在某些應用中可能是不希望的。

對于需要更強的ESD事件保護的應用，通常使用齊納二極管、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、瞬態電壓抑制器（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，它們可能導致信號完整性問題;這意味著設計工程師需要仔細考慮性能和可靠性之間的權衡。

有哪些預打包解決方案可用？

雖然絕大多數ADI開關/多路復用器產品至少滿足±2 kV的HBM水平，但其他產品在魯棒性方面超越了這一點，實現了高達±8 kV的HBM額定值。ADG541x系列產品的額定電壓為±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，是業界的領導者。

結論

當開關或多路復用器輸入來自遠程源時，發生故障的可能性增加。由于系統電源排序設計不佳或需要熱插拔插入，可能會發生過壓情況。在惡劣的電氣環境中，如果沒有保護，由于連接不良或電感耦合引起的瞬態電壓可能會損壞組件。電源故障也可能發生故障，其中電源連接丟失，而開關輸入仍然暴露在模擬信號中。這些故障條件可能會導致重大損壞，可能導致損壞并需要昂貴的維修。雖然使用了許多保護設計技術來處理故障，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性能上進行權衡;即使實施了外部保護，下游電路也并不總是受到保護。由于模擬開關和多路復用器通常是模塊最有可能出現故障的電子元件，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/多路復用器產品（如此處提到的器件）具有集成保護功能，使設計人員無需外部保護電路，從而減少了電路板設計中組件的數量和成本。在通道數較高的應用中，節省的成本更為顯著。

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，可以產生符合行業法規的穩健產品，并提高客戶和最終用戶的滿意度。

審核編輯：郭婷