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恶劣工作环境中的开关和多路复用器 设计考虑

导读: 本文描述了工程师在将模拟开关和多路复用器设计到恶劣环境下所用模块中时面临的挑战,并提供了一些一般解决方案建议, 以供电路设计人员用来保护容易损坏的器件。另外,文中介绍了一些新款集成开关和多路复用器。

  简介

 

  汽车、军事和航空电子应用中的恶劣工作环境对集成电路的技 术要求极端苛刻,电路必须能够承受高电压和电流、极端温度和湿度、振动、辐射以及各种其他应力。为了提供安全、娱乐、远程信息处理、控制和人机界面等应用领域所需的特性和功能,系统工程师迅速采用高性能电子器件。随着精密电子器件的使用日益增加,系统也变得越来越复杂,而且更易受到电子干扰,其中包括过压、闩锁状况和静电放电(ESD)事件。这些应用中采用的电子电路需要具有高可靠性和对系统故障的高耐受性,因此设计人员在选择器件时必须考虑到环境因素和器件自身限制。

  此外,每个集成电路都有制造商规定的一些绝对最大额定值;设计时必须留意这些额定值,才能确保性能可靠且达到公布的技术规格。一旦超过这些绝对最大额定值,则无法保证工作参数;甚至可能导致内置ESD、过压或闩锁保护失效,从而导致器件(并有可能更进一步)损坏或出现故障。

  本文描述了工程师在将模拟开关和多路复用器设计到恶劣环境下所用模块中时面临的挑战,并提供了一些一般解决方案建议, 以供电路设计人员用来保护容易损坏的器件。另外,文中介绍了一些新款集成开关和多路复用器,这些器件在过压保护、防闩锁特性和故障保护上均有所改善,能够处理常见应力状况。

 

  标准模拟开关架构

 

  要完全弄清楚模拟开关上故障状况造成的影响,首先必须查看其内部结构和工作极限。

  标准CMOS开关(图1)采用N和P沟道MOSFET作为开关元件、数字控制逻辑和驱动器电路。N和P沟道MOSFET以并联方式相连,允许进行双向操作,并将模拟输入电压范围可以扩展到供电轨,同时在整个信号范围内使导通电阻保持相当恒定。

 

  

  图1.标准模拟开关电路

 

  信号源、漏极和逻辑控制端对正负源电压都设计有箝位二极管以提供ESD保护,如图1所示。在正常工作模式下,这些二 极管反向偏置,因此除非信号超过电源电压,否则不会通过电 流。这些二极管的尺寸因工艺而异,不过一般都采用小型设计, 以尽量减少正常工作时的漏电流。

  模拟开关的控制方式如下:当栅极-源极电压为正值时,N沟道器件导通,而当该电压为负值时则关断;P沟道器件由互补信号进行切换,因此与N沟道器件同时接通。开关的接通与断开是通过在两个栅极上分别施加正负源电压来实现的。

  当栅极上的电压固定时,两个晶体管的有效驱动电压随着通过开关的模拟信号极性和幅度变化而呈比例变化。图2中的虚线表示,当输入信号接近电源电压时,总有一个器件的沟道开始饱和,从而造成该器件的导通电阻急剧增加。不过,并联器件在供电轨电压附近相互补偿,因此最终得到的是完全的轨到轨开关,并且导通电阻在信号范围内保持相对恒定。

 

  

  图2.标准模拟开关RON图

 

  绝对最大额定值

 

  设计时应当注意器件数据手册中规定的开关功率要求,这样才能保证性能、操作和寿命均达到最佳。不幸的是,实际操作过程中存在电源故障、恶劣环境中的电压瞬变和系统或用户故 障,因而不可能始终达到数据手册的要求。

  只要模拟开关的输入电压超过电源电压,即使电源已关闭,内置ESD保护二极管变成正向偏置,允许流过大电流,这样即会超过那些额定值。正向偏置时,这些二极管导通电流并不只局限于几十毫安,一旦不对这个正向电流加以限制,就可能会造成器件损坏。更为严重的是,故障导致的损坏并不限于开关, 也可能影响到下游电路。

  数据手册的“绝对最大额定值”部分(图 3)描述了器件可以 耐受的最大应力条件;请务必注意,这些只是额定最值。长期 在绝对最大额定值条件下工作会影响器件的可靠性。设计人员应当始终遵循良好的工程实践做法,在设计中保留余量。此处示例摘自标准开关/多路复用器数据手册。

 

  

  图3.数据手册的“绝对最大额定值”部分

 

  本例中,VDD至VSS参数的额定值为 18 V。该额定值取决于开 关的制造工艺和设计架构。所有高于18V的电压都必须与该开 关完全隔离开来,否则将会超过与该工艺相关的元件本征击穿电压,而这可能会损坏器件并导致工作不可靠。

  无论是否施加电源,模拟开关输入端的电压上限通常都取决于ESD保护电路,该电路可能会因发生故障情况而失效。

 

  

  图4.模拟开关—ESD保护二极管

 

  模拟输入电压极值以超出VDD和VSS 0.3 V为限,而数字输入电压极值以超出VDD和GND 0.3 V为限。当模拟输入超过电源电 压时,内置ESD保护二极管变为正偏并开始导通。如“绝对最大额定值”部分所述,IN、S或D上的过压由内部二极管箝位。 虽然 30 mA以上的电流可以通过内部二极管且不会产生明显影响,但是器件可靠性和寿命可能会有所下降,且随着时间推移可能会出现电子迁移效应(即导线上金属原子逐渐发生移动)。当强电流流过金属路径时,移动中的电子与导线上的金 属原子之间会产生相互作用,迫使金属原子随着电子移动而移动。随着时间的推移,这可能会导致开路或短路。

  在将开关设计到系统中时,需要考虑到系统中因器件故障、用户错误或环境影响而可能出现的各种潜在故障,这点非常重 要。下一节将讨论超过标准模拟开关绝对最大额定值的故障状况是如何损坏开关或导致其工作不正常的。

 

  常见故障状况、系统应力和保护方法

 

  故障状况的出现原因各不相同;表1中列出了一些最为常见的系统应力及其实际来源:

 

 

 

  有些应力可能无法避免。无论应力的来源是什么,更为重要的 是如何处理其产生的影响。下文问答环节涵盖了过压、闩锁和 ESD 事件三种故障状况并提供了一些常见的保护方法。

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