模拟开关断电保护功能实现更稳健系统设计

模拟开关可用于众多的应用系统中，包括手机、 之类的便携式手持设备以及计算机、显示器之类的消费电子设备。无论应用中涉及的是音频、视频、还是控制信号，系统设计人员经常都会碰到这样的情况：开关在未加电前其输入就已经出现非零信号。在输入信号过压的情况下，采用标准设计技术的模拟开关很容易在输入端上形成意外的假信号（缺乏断电信号隔离措施）和造成漏电流超标。由于开关在未加电时缺乏信号隔离措施，这种假信号会漏过开关，从而扰乱系统的数据采集或处理。而电流泄漏则是个更严重的问题，会导致设备失效和产品返修。为此，飞兆半导体为其最新的模拟开关产品开发了专门的断电保护 电路，使模拟开关不但能够承受过压，而且能确保在断电时保证信号隔离。本文会阐述出现这类过压的一些常见应用情形，并详细讨论标准的模拟开关如何响应这个事件。最后，本文还将从数据信号通道和可靠性的角度，探讨这种断电保护功能如何克服这些设计挑战和实现系统保护。断电保护功能的一个示例在数种常见的情形下，都要求模拟开关在未加电时提供信号隔离功能。其中之一是系统的上电时序，除此之外，其它的应用情形如进行热插拔和瞬时信号阻断操作，以及系统出现故障时，也都需要断电保护。在系统上电时，一些系统功能必须比另一些先上电，这通常是因为要满足不同的电压要求，故需多条内部电源走线来实现。一般来说，要取得最好的开关性能，模拟开关应该用电平最高的电源走线。这就意味着使用较低的部件如系统处理器会比旁边那些使用较高电压的模拟芯片先完成上电。举例说，如果用模拟开关作控制数据选择路由，且通用输入输出控制器比模拟开关先完成上电，那么该控制器就会在开关完成上电前向其输入送出一个信号。而模拟开关必须完成上电，才能确保按照控制输入进入正确的功能状态。对于标准的模拟开关来说，在加电未完成前，它不一定能正确处理输入端出现的正电平数据信号。系统设计人员通常都会意识到这种上电时序失配，并指望模拟开关此时能将输入与输出隔离。除非模拟开关设计了专门的电路来保障上电前的这种信号隔离，否则将会有信号漏过开关。漏过开关的信号会导致错误的逻辑状态，使得系统启动程序出错。漏过开关的信号甚至会同时出现在单刀双掷开关的两个输出引脚上，而不论输出有效引脚和选中引脚处于什么状态。VCCflootingorweak0ulldownPositrveInputSignal(Vsw)ParasiticPMOSVCCflootingorweak0ulldownPositrveInputSignal(Vsw)ParasiticPMOS/SourceBulkDiode当 引脚浮接或其电位几乎没被拉低时，开关输入信号 有可能给开关内部电路加电，从而使该信号漏过开关。图就是这种情况的示例，图中节点电平为 0由于该内部节点被加电，开关将导通，让输入信号通过。在这种情况下，本来没被选中的输出上也可能出现正电压信号。在使用模拟开关来抵御瞬态噪音或实现故障保护的应用中，开关常常放置在系统的外围，以便将内部元件与外界隔离。在用于故障保护的应用中，也期望开关能抵御长时间（数毫秒）的故障。当正电平输入电压持续时，如在发生故障或上电时序错误的情况下，这种电压也可能给模拟开关造成不可逆转的损坏。这种损坏源于从开关输入端流向开关 引脚的过量电流。这个电流通道是开关与生俱来的寄生 体效应二极管的结果，该二极管在输入电压大于时就象一个正向偏置二极管。要导通这个二极管的确需要一个最小正向电压，一般认为在 左右。这个有效二极管允许额外的电流经芯片流到 引脚。输入引脚的电压越高，电流就越大。电压与电流呈指数关系，且很容易用理想二极管的电压电流曲线表示出来。这样，芯片的最大电流很快便会被超过。一旦某一部件因过压而损坏，该部件通常会使过量漏电持续，即使在输入恢复正常状态后，也可能无法正常工作。图示出了数据输入引脚和前述 间的漏电流路径。径。采用具有断电保护功能的开关实现稳健的系统设计具有断电保护功能的开关备有专门设计的电路，可防止意外的信号泄漏及保障过压情况下的系统可靠性。当时，开关将把输入信号与输出隔离开，而不论输出有效引脚或选通引脚处于什么状态；这样就可防止意外信号漏过开关。保护电路还可阻止电流从信号引脚到电源引脚的泄漏。当无电源供应时，开关输入端呈高阻态，因此能阻止寄生体效应二极管处于正向偏置。需要注意的是，除特殊情况外，断电保护通常只加在开关其中一端，而不必在两侧都加保护。在第一代具有断电保护功能的开关上，保护是加在通用引脚上，因为其所在端口最容易出现过压。这意味着系统设计人员必需要仔细阅读技术说明，保证能正确配置开关，以实现所需的保护功能。系统设计人员很可能希望知道，具有断电保护功能的开关在上电完成后输入信号仍然高于的系统中的操作。例如，如果开关的电压 ，而 6在这种情况下，具有断电保护功能的开关并不会保护过量的电流泄漏至，因而一定要保证不会出现数据表中的最大额定值。在典型的开关中， 比高 是可以接受的，但高于此值的电压就可能导致可靠性失效，因此应当避免。在前述例子中， 电源应当提升到等于开关输入信号的最大值；若无法实现， 也应当在 的 以内。单刀双掷 开关将确保未选中的输出上不会出现图1所示的任何信号泄漏。，另一方面，选中的输出仍然能通过完整的输入信号。因此，如果在刚才所述的例子中，将 提高到3的输入 将通过被选中的输出。未来的具有断电保护功能的开关将进一步增加这个范围，容许开关输入信号幅度超过，甚至独立于 电源的最高水平。与此同时，已经有简单的方案能解决这个问题。在开关 引脚和电源走线间串联一个10欧0姆的电阻就可防止在过压情况下上电带来的损害。在发生过压时，这个串联进来的 欧姆电阻能将回流到 线的电流限制在安全的范围内。最后，应当注意的是，就最大过压而言，数据表中的极限值无论在部件上电或断电时都是有效的。结语系统设计人员经常要面对诸如顺序上电、热插拔或系统故障等应用情形。在这些情形下，若系统采用标准模拟开关，其数据信号流甚至功能可靠性都可能受到影响。为了确保系统性能的稳健，飞兆半导体许多最新的模拟