模拟开关断电保护功能实现更稳健系统设计
Dolly · 2011-12-21 21:21 · 47965 次点击
模拟开关可用于众多的应用系统中,包括手机、PDA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、USB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(Power-OffProtection)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VCC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(GPIO)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(OE)和选中引脚(S)处于什么状态。
当VCC引脚浮接或其电位几乎没被拉低时,开关输入信号Vsw有可能给开关内部电路加电,从而使该信号漏过开关。图1就是这种情况的示例,图中VCC节点电平为Vsw-0.8V。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VCC引脚的过量电流。这个电流通道是开关与生俱来的寄生PMOS体效应二极管的结果,该二极管在输入电压大于VCC+0.5V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0.5V左右。这个有效二极管允许额外的电流经芯片流到VCC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2示出了数据输入引脚和前述VCC间的漏电流路径。
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VCC=0V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PMOS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VCC的系统中的操作。例如,如果开关的电压VCC=2.8V,而Vsw=3.6V;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VCC,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,Vsw比VCC高0.5V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,VCC电源应当提升到等于开关输入信号的最大值;若无法实现,VCC也应当在0.5V的Vsw以内。单刀双掷(SPDT)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VCC提高到3.3V,3.6V的输入Vsw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VCC,甚至独立于VCC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VCC引脚和电源走线间串联一个100欧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100欧姆电阻能将回流到VCC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开关产品都添加了断电保护功能。FSUSB30是第一款添加了断电保护功能的产品,能抵御USB技术规范中所描述未加电时的Vbus故障情况。飞兆半导体新的模拟开关还包括具备这种保护功能的USB开关和高性能音频开关。选择具有这种功能的模拟开关,设计人员就能保证系统在未完成加电前的过压环境下将会受到保护。