你的位置:首頁 > 電路保護(hù) > 正文

如何對敏感型電子信號輸入實施過壓保護(hù)?

發(fā)布時間:2019-11-12 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】對電子系統(tǒng)可靠性的高要求,特別是在工業(yè)環(huán)境中,不斷給開發(fā)人員帶來巨大的挑戰(zhàn)。過壓保護(hù)是一個關(guān)鍵的設(shè)計考量因素和挑戰(zhàn),因為要保護(hù)系統(tǒng)不受過壓影響通常需要用到更多部件,但是這些附加部件經(jīng)常會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響,在最壞的情況下,甚至?xí)a(chǎn)生錯誤信號。

對電子系統(tǒng)可靠性的高要求,特別是在工業(yè)環(huán)境中,不斷給開發(fā)人員帶來巨大的挑戰(zhàn)。過壓保護(hù)是一個關(guān)鍵的設(shè)計考量因素和挑戰(zhàn),因為要保護(hù)系統(tǒng)不受過壓影響通常需要用到更多部件,但是這些附加部件經(jīng)常會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響,在最壞的情況下,甚至?xí)a(chǎn)生錯誤信號。除此之外,這些部件會額外增加成本,還會進(jìn)一步加重空間限制問題。因此,在設(shè)計保護(hù)電路時,傳統(tǒng)的解決方案往往需要在系統(tǒng)精度和保護(hù)等級之間做出妥協(xié)。

通常,常見的簡單設(shè)計方法是使用外部保護(hù)二極管,通常是瞬態(tài)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(dāng)有用,因為他們可以快速對瞬態(tài)的電壓峰值作出反應(yīng)。圖1左側(cè)所示的就是這種類型的外部過壓保護(hù)。
 
如何對敏感型電子信號輸入實施過壓保護(hù)? 
圖1.采用額外的分立式組件的傳統(tǒng)型過壓保護(hù)設(shè)計

如果發(fā)生正瞬態(tài)電壓脈沖過壓,電流會通過D1流向VDD以箝位此正瞬態(tài)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(fù)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(huán)境條件下,輸入端的雙向TVS二極管通常用于增強保護(hù)。

這種類型的保護(hù)電路的缺點包括增加信號上升和下降時間以及電容效應(yīng)。此外,當(dāng)電路處于斷電狀態(tài)時,不提供任何保護(hù)。

實際的器件,例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、運算放大器等,通常都內(nèi)置保護(hù)功能。如圖1右側(cè)所示,此保護(hù)功能由開關(guān)架構(gòu)構(gòu)成。從圖1還可以看出,電源軌兩側(cè)都配有輸入端和輸出端保護(hù)二極管。這種設(shè)置存在缺點,當(dāng)浮動信號在斷電狀態(tài)(IC沒有通電)下出現(xiàn)時,開關(guān)可能會像處于活動狀態(tài)一樣(即使設(shè)置為關(guān)閉),電流會流經(jīng)二極管和電源軌。這種現(xiàn)象將允許電流通過信號線路,導(dǎo)致信號線路失去保護(hù)。

故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu)
解決上述問題的一種方法是使用配有雙向ESD單元的故障保護(hù)開關(guān)架構(gòu),如圖2所示?,F(xiàn)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(guān)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保護(hù)二極管限制,而是由開關(guān)的最大額定電壓限制。除此以外,還可以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)魯棒性和可靠性,且不會對實際信號及其精度產(chǎn)生影響。此外,開關(guān)關(guān)斷時泄漏電流非常低,所以也不需要使用額外的限流電阻。

如何對敏感型電子信號輸入實施過壓保護(hù)?
圖2.配有集成式雙向ESD單元的過壓保護(hù)

ADI公司(ADI)提供的四通道單刀單擲(SPST)開關(guān)ADG5412F采用了這種輸入結(jié)構(gòu)。無論現(xiàn)有電源多大,此開關(guān)都可以承受高達(dá)±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(dá)5.5 kV的瞬態(tài)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(xù)正常工作。

結(jié)論
得益于這種過壓保護(hù)開關(guān),電路可以大大簡化。與傳統(tǒng)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(guān)性能方面,還是在優(yōu)化空間使用率方面,這種解決方案都具有明顯優(yōu)勢。因此,ADG5412F提供的過壓保護(hù)特別適用于惡劣環(huán)境下的高精度測量應(yīng)用。
 (來源:ADI公司,作者:Thomas Brand)
 
 
推薦閱讀:
高速電路設(shè)計阻抗匹配的幾種方法
硬件工程師都應(yīng)該掌握的防反接電路,你都Get到了嗎?
五種三極管測量方法分享
35個儀表結(jié)構(gòu)原理動畫,直觀、易懂!
TVS的伏安特性曲線、參數(shù)、選型,工程師確定都明白嗎?
要采購開關(guān)么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉