《電子技術應用》
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對敏感型電子信號輸入實施過壓?;さ目煽啃路椒?

2019-11-11
作者:Thomas BrandADI公司現場應用工程師
來源:ADI公司

  對電子系統可靠性的高要求,特別是在工業環境中,不斷給開發人員帶來巨大的挑戰。過壓?;?/a>是一個關鍵的設計考量因素和挑戰,因為要?;は低巢皇芄褂跋焱ǔP枰玫礁嗖考?,但是這些附加部件經?;岫韻低巢跋?,在最壞的情況下,甚至會產生錯誤信號。除此之外,這些部件會額外增加成本,還會進一步加重空間限制問題。因此,在設計?;さ緶肥?,傳統的解決方案往往需要在系統精度和?;さ燃噸渥齔鐾仔?。

  通常,常見的簡單設計方法是使用外部?;ざ?,通常是瞬態電壓抑制器(TVS)二極管,安裝在信號線和電源線或接地線之間。TVS二極管相當有用,因為他們可以快速對瞬態的電壓峰值作出反應。圖1左側所示的就是這種類型的外部過壓?;?。

圖片1.png


圖1.采用額外的分立式組件的傳統型過壓?;ど杓?/em>

  如果發生正瞬態電壓脈沖過壓,電流會通過D1流向VDD以箝位此正瞬態電壓脈沖,電壓因此受限,箝位電壓等于VDD加上二極管上的正向電壓。如果脈沖是負的,并且小于VSS,那么上述功能同樣適用,只是換作通過D2鉗位到VSS。但是,如果不加以限制過壓引起的泄漏電流,則可能會損壞二極管。出于這個原因,會在路徑中加裝一個限流電阻。在非常惡劣的環境條件下,輸入端的雙向TVS二極管通常用于增強?;?。

  這種類型的?;さ緶返娜鋇惆ㄔ黽有藕派仙拖陸凳奔湟約暗縟菪в?。此外,當電路處于斷電狀態時,不提供任何?;?。

  實際的器件,例如模數轉換器(ADC)、運算放大器等,通常都內置?;すδ?。如圖1右側所示,此?;すδ苡煽丶芄構鉤?。從圖1還可以看出,電源軌兩側都配有輸入端和輸出端?;ざ?。這種設置存在缺點,當浮動信號在斷電狀態(IC沒有通電)下出現時,開關可能會像處于活動狀態一樣(即使設置為關閉),電流會流經二極管和電源軌。這種現象將允許電流通過信號線路,導致信號線路失去?;?。

故障?;た丶芄?/strong>

  解決上述問題的一種方法是使用配有雙向ESD單元的故障?;た丶芄?,如圖2所示。現在,ESD單元會通過不斷比較輸入電壓和VDD或VSS上的電壓來箝位瞬時電壓,而非使用輸入端TVS二極管。長時間過壓時,下游開關會自動打開。如此一來,輸入電壓不再受箝位在電源軌道上的?;ざ芟拗?,而是由開關的最大額定電壓限制。除此以外,還可以實現更高的系統魯棒性和可靠性,且不會對實際信號及其精度產生影響。此外,開關關斷時泄漏電流非常低,所以也不需要使用額外的限流電阻。

圖片2.png


圖2.配有集成式雙向ESD單元的過壓?;?/em>

  ADI公司(ADI)提供的四通道單刀單擲(SPST)開關ADG5412F采用了這種輸入結構。無論現有電源多大,此開關都可以承受高達±55 V的永久過壓。這四個通道每個通道上集成的ESD單元都可以箝位高達5.5 kV的瞬態電壓。在過壓條件下,只有受影響的通道會打開,其他通道繼續正常工作。

結論

  得益于這種過壓?;た?,電路可以大大簡化。與傳統的分立式解決方案相比,無論是在確保精密信號鏈的出色開關性能方面,還是在優化空間使用率方面,這種解決方案都具有明顯優勢。因此,ADG5412F提供的過壓?;ぬ乇鶚視糜詼窳踴肪誠碌母呔炔飭坑τ?。

作者簡介

  Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司,當時他還在攻讀碩士。畢業后,他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年,他成為一名現場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業客戶提供支持,并專注于工業以太網領域。他畢業于德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業,之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。


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