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功率技術/新能源  

滿足強韌系統設計需求的類比開關斷電保護技術

上網時間: 2006年10月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電源設計  類比開關  斷電保護  模擬設計  power-off protection 

類比開關適合多種不同應用,如行動電話和PDA等可攜式手持設備、電腦、視訊顯示器等消費電子設備。無論應用在音訊、視訊、USB或控制訊號的傳輸路徑,系統設計工程師常常發現,當開切斷電的時候,開關輸入端上存在不為零的訊號。當輸入訊號遭受過壓事件時,採用標準設計技術的類比開關就會讓干擾訊號(缺乏訊號斷開隔離措施)通過,且伴隨額外的電流泄漏。

缺乏訊號斷開隔離(Lack of off isolation)措施,就可能因意外訊號通過開關而導致系統數據採集或處理系統出問題。第二個問題─電流泄漏的影響更為嚴重,它可能導致設備失效並引發潛在的產品回收。本文介紹了可能出現過壓事件的常見情形,並對類比開關如何響應這種情形做了詳細討論;最後,從數據路徑和可靠性的觀點出發,討論了如何利用電源切斷保護功能來克服這些設計挑戰並保護系統。

電源切斷保護

在幾種常見的情形下,當開關未上電時,如在系統順序上電期間,會要求類比開關關斷確保訊號隔離。除了順序上電之外,其它需要斷電保護的應用是熱拔插、瞬態訊號阻塞和系統出故障的情形。

在順序上電情形下,一些功能系統會先後通電,這種情況常見於多個內部電源軌需要不同供電電壓的情況。

一般來說,建議採用可用的最大電源軌為類比開關供電,以使其達到最佳開關工作性能。這可能意味著採用較低VCC軌的組件,如系統處理器,同時要在鄰近的較高電壓類比晶片組上電之前就完全上電。例如,若類比開關被用於路由控制數據,且GPIO控制器在類比開關上電之前就完全上電,就可能導致控制器在開關完全上電之前向開關輸入端發出訊號。

為保證類比開關處於正確功能狀態,類比開關的上電必須根據其自身的控制輸入來確定。對標準類比開關,當開關未完全打開前,若正數據訊號出現在開關的輸入端,就不能保證該訊號得到正確地處理。系統設計工程師常常意識到上電時序的失配,並依賴於類比開關來隔離輸入與輸出。

除非類比開關具備專用設計電路以確保斷電期間的隔離,否則訊號就可能流過。泄漏訊號(Signal bleed through)可能造成虛假的邏輯狀態,因而引起系統啟動失常;甚至可能不管OE和S接腳的狀態如何,泄漏訊號會同時出現在單刀雙擲開關(SPDT)的兩個輸出接腳上。

當VCC接腳懸浮或非常弱地下拉時,開關輸入訊號Vsw就可能對開關內部電路加電,因而容許訊號泄漏到開關的輸出端。如圖1所示,開關內部VCC節點電壓為Vsw-0.8V。內部節點上電之後,開關就會被打開,並通過輸入訊號。在這種情況下,正電壓甚至有可能出現在未選中的輸出上。

在類比開關被用於保護系統免受瞬態噪音或故障條件影響的應用中,類比開關常常被放置在系統週邊上,並用於隔離內部元件與外部世界。在故障保護應用中,類比開關也可望長時間(毫秒級)地承受這種條件。當正輸入電壓持續不變時,正如在故障條件或順序上電中一樣,也有可能導致對類比開關的永久性破壞。


圖1:具有訊號泄漏的典型類比開關的應用

這種破壞是由額外電流流經開關輸入埠到接地開關VCC接腳之間的路徑而產生的。當輸入電壓大於VCC+0.5V時,像正向偏置的二極體一樣,固有開關寄生PMOS體效應二極體會形成這種電流路徑。二極體需要最小典型值大約為0.5V的正向偏置電壓才能導通;這種有效的二極體容許額外的電流流過晶片直達VCC接腳。

在輸入接腳上的電壓越大,流過開關的電流就越大。該電壓與電流依指數規律變化,可方便地採用理想的二極體曲線來表示。因此,如果電流持續增加,很快就可以超過晶片的最大額定電流。一旦元件因過壓事件而損壞,該元件常常將繼續表現出額外的泄漏;即使輸入恢復到正常的工作條件,該元件可能再也不能恢復正常功能。圖2為數據輸入接腳和所描述的VCC之間形成的電流路徑。


圖2:當處於過壓情形中時,典型的類比開關電流泄漏

強韌的斷電保護開關

具有斷電保護功能的開關採用專用設計電路來防止干擾訊號流過並確保過壓條件下系統的可靠性。當VCC=0V時,不論使能接腳或選擇接腳的狀態如何,開關都將隔離輸入訊號與輸出,因而防止干擾訊號流過開關。它還將防止從訊號接腳向電源接腳的泄漏。

在關斷情況下,開關輸入端對輸入訊號呈現高阻輸入狀態,以防止任何寄生PMOS體二極體獲得正向偏置。要注意除非所指定的斷電保護通常僅設置在一個埠上,否則沒有必要把開關兩邊都設置為斷電保護。在第一代斷電保護開關中,共用接腳已添加了保護功能,因為該接腳最有可能受過壓影響。這意味著系統設計工程師必須仔細閱讀數據表,以確保恰當地配置開關,並防止預期的威脅。

系統設計工程師也將想瞭解,當輸入訊號大於VCC時,系統中被輸入訊號上電的斷電保護開關的行為。例如,若開關由VCC=2.8V供電,而Vsw=3.6V。在這種情況下,斷電保護開關就不能防止額外電流泄漏到VCC,因而要注意數據表的絕對最大額定值。在典型的開關中,Vsw超過VCC的電壓數值為0.5V是可以接受的,然而,任何超過這一點的電壓都可能導致可靠性故障,應加以避免。

在上述例子中,VCC電源應該被增加到等於開關輸入訊號的最大值;如果不可能,也應該比Vsw低0.5V。如圖1所示,SPDT開關將確保未經選擇的輸出不會有訊號泄漏。

另一方面,選中的輸出仍將通過輸入訊號的所有值。因而,就上述情形而言,若VCC增加到3.3V,而Vsw為3.6V的輸入會通過所選擇的輸出。

未來的斷電保護開關將進一步增加電壓範圍,因而無論VCC電源是多少,都容許開關輸入的擺幅超過最大的VCC電平。在此同時,儘管採用了簡單的電路來解決這個問題,透過在開關VCC接腳與電源軌間插入100歐姆的串聯電阻,仍能保護開關在上電期間免受過壓的破壞;此外,即使出現過壓,100歐姆的串聯電阻也限制了流回VCC軌的電流,使電流大小落在安全工作範圍內。最後,需注意的是:無論開關是上電或斷電,數據表極限參數對最大過壓情形總是適用。

作者:Travis Williams

資深應用工程師

Fairchild公司




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