模擬開(kāi)關(guān)斷電保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模擬開(kāi)關(guān)可用于眾多的應(yīng)用系統(tǒng)中，包括手機(jī)、PDA之類的便攜式手持設(shè)備以及計(jì)算機(jī)、顯示器之類的消費(fèi)電子設(shè)備。無(wú)論應(yīng)用中涉及的是音頻、視頻、USB還是控制信號(hào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常都會(huì)碰到這樣的情況：開(kāi)關(guān)在未加電前其輸入就已經(jīng)出現(xiàn)非零信號(hào)。在輸入信號(hào)過(guò)壓的情況下，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)技術(shù)的模擬開(kāi)關(guān)很容易在輸入端上形成意外的假信號(hào) (缺乏斷電信號(hào)隔離措施) 和造成漏電流超標(biāo)。由于開(kāi)關(guān)在未加電時(shí)缺乏信號(hào)隔離措施，這種假信號(hào)會(huì)漏過(guò)開(kāi)關(guān)，從而擾亂系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集或處理。 而電流泄漏則是個(gè)更嚴(yán)重的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備失效和產(chǎn)品返修。為此，飛兆半導(dǎo)體為其最新的模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了專門(mén)的斷電保護(hù) (Power-Off Protection) 電路，使模擬開(kāi)關(guān)不但能夠承受過(guò)壓，而且能確保在斷電時(shí)保證信號(hào)隔離。本文會(huì)闡述出現(xiàn)這類過(guò)壓的一些常見(jiàn)應(yīng)用情形，并詳細(xì)討論標(biāo)準(zhǔn)的模擬開(kāi)關(guān)如何響應(yīng)這個(gè)事件。最后，本文還將從數(shù)據(jù)信號(hào)通道和可靠性的角度，探討這種斷電保護(hù)功能如何克服這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)。

斷電保護(hù)功能的一個(gè)示例
 
在數(shù)種常見(jiàn)的情形下，都要求模擬開(kāi)關(guān)在未加電時(shí)提供信號(hào)隔離功能。其中之一是系統(tǒng)的上電時(shí)序，除此之外，其它的應(yīng)用情形如進(jìn)行熱插拔和瞬時(shí)信號(hào)阻斷操作，以及系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，也都需要斷電保護(hù)。在系統(tǒng)上電時(shí)，一些系統(tǒng)功能必須比另一些先上電，這通常是因?yàn)橐獫M足不同的電壓要求，故需多條內(nèi)部電源走線來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，要取得最好的開(kāi)關(guān)性能，模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)該用電平最高的電源走線。這就意味著使用較低VCC的部件 (如系統(tǒng)處理器) 會(huì)比旁邊那些使用較高電壓的模擬芯片先完成上電。

舉例說(shuō)，如果用模擬開(kāi)關(guān)作控制數(shù)據(jù)選擇路由，且通用輸入/輸出 (GPIO) 控制器比模擬開(kāi)關(guān)先完成上電，那么該控制器就會(huì)在開(kāi)關(guān)完成上電前向其輸入送出一個(gè)信號(hào)。而模擬開(kāi)關(guān)必須完成上電，才能確保按照控制輸入進(jìn)入正確的功能狀態(tài)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的模擬開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，在加電未完成前，它不一定能正確處理輸入端出現(xiàn)的正電平數(shù)據(jù)信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常都會(huì)意識(shí)到這種上電時(shí)序失配，并指望模擬開(kāi)關(guān)此時(shí)能將輸入與輸出隔離。除非模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)了專門(mén)的電路來(lái)保障上電前的這種信號(hào)隔離，否則將會(huì)有信號(hào)漏過(guò)開(kāi)關(guān)。漏過(guò)開(kāi)關(guān)的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的邏輯狀態(tài)，使得系統(tǒng)啟動(dòng)程序出錯(cuò)。漏過(guò)開(kāi)關(guān)的信號(hào)甚至?xí)瑫r(shí)出現(xiàn)在單刀雙擲開(kāi)關(guān)的兩個(gè)輸出引腳上，而不論輸出有效引腳 (OE) 和選中引腳 (S) 處于什么狀態(tài)。

圖1  典型模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的信號(hào)泄漏 

當(dāng)VCC引腳浮接或其電位幾乎沒(méi)被拉低時(shí)，開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)Vsw有可能給開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路加電，從而使該信號(hào)漏過(guò)開(kāi)關(guān)。圖1就是這種情況的示例，圖中VCC節(jié)點(diǎn)電平為Vsw-0.8V。由于該內(nèi)部節(jié)點(diǎn)被加電，開(kāi)關(guān)將導(dǎo)通，讓輸入信號(hào)通過(guò)。在這種情況下，本來(lái)沒(méi)被選中的輸出上也可能出現(xiàn)正電壓信號(hào)。
在使用模擬開(kāi)關(guān)來(lái)抵御瞬態(tài)噪音或?qū)崿F(xiàn)故障保護(hù)的應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)常常放置在系統(tǒng)的外圍，以便將內(nèi)部元件與外界隔離。在用于故障保護(hù)的應(yīng)用中，也期望開(kāi)關(guān)能抵御長(zhǎng)時(shí)間 (數(shù)毫秒) 的故障。當(dāng)正電平輸入電壓持續(xù)時(shí)，如在發(fā)生故障或上電時(shí)序錯(cuò)誤的情況下，這種電壓也可能給模擬開(kāi)關(guān)造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。這種損壞源于從開(kāi)關(guān)輸入端流向開(kāi)關(guān)VCC引腳的過(guò)量電流。這個(gè)電流通道是開(kāi)關(guān)與生俱來(lái)的寄生PMOS體效應(yīng)二極管的結(jié)果，該二極管在輸入電壓大于VCC+ 0.5V時(shí)就象一個(gè)正向偏置二極管。要導(dǎo)通這個(gè)二極管的確需要一個(gè)最小正向電壓，一般認(rèn)為在0.5V左右。 這個(gè)有效二極管允許額外的電流經(jīng)芯片流到VCC引腳。輸入引腳的電壓越高，電流就越大。電壓與電流呈指數(shù)關(guān)系，且很容易用理想二極管的電壓電流曲線表示出來(lái)。這樣，芯片的最大電流很快便會(huì)被超過(guò)。一旦某一部件因過(guò)壓而損壞，該部件通常會(huì)使過(guò)量漏電持續(xù)，即使在輸入恢復(fù)正常狀態(tài)后，也可能無(wú)法正常工作。圖2示出了數(shù)據(jù)輸入引腳和前述VCC間的漏電流路徑。

圖2  典型模擬開(kāi)關(guān)在過(guò)壓時(shí)的漏電流路徑 

采用具有斷電保護(hù)功能的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

具有斷電保護(hù)功能的開(kāi)關(guān)備有專門(mén)設(shè)計(jì)的電路，可防止意外的信號(hào)泄漏及保障過(guò)壓情況下的系統(tǒng)可靠性。當(dāng)VCC=0V時(shí)，開(kāi)關(guān)將把輸入信號(hào)與輸出隔離開(kāi)，而不論輸出有效引腳或選通引腳處于什么狀態(tài)；這樣就可防止意外信號(hào)漏過(guò)開(kāi)關(guān)。保護(hù)電路還可阻止電流從信號(hào)引腳到電源引腳的泄漏。當(dāng)無(wú)電源供應(yīng)時(shí)，開(kāi)關(guān)輸入端呈高阻態(tài)，因此能阻止寄生PMOS體效應(yīng)二極管處于正向偏置。需要注意的是，除特殊情況外，斷電保護(hù)通常只加在開(kāi)關(guān)其中一端，而不必在兩側(cè)都加保護(hù)。在第一代具有斷電保護(hù)功能的開(kāi)關(guān)上，保護(hù)是加在通用引腳上，因?yàn)槠渌诙丝谧钊菀壮霈F(xiàn)過(guò)壓。這意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必需要仔細(xì)閱讀技術(shù)說(shuō)明，保證能正確配置開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)所需的保護(hù)功能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員很可能希望知道，具有斷電保護(hù)功能的開(kāi)關(guān)在上電完成后輸入信號(hào)仍然高于VCC的系統(tǒng)中的操作。例如，如果開(kāi)關(guān)的電壓VCC=2.8V，而Vsw = 3.6V；在這種情況下，具有斷電保護(hù)功能的開(kāi)關(guān)并不會(huì)保護(hù)過(guò)量的電流泄漏至VCC，因而一定要保證不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)表中的最大額定值。在典型的開(kāi)關(guān)中， Vsw比VCC高 0.5V是可以接受的，但高于此值的電壓就可能導(dǎo)致可靠性失效，因此應(yīng)當(dāng)避免。在前述例子中，VCC電源應(yīng)當(dāng)提升到等于開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)的最大值；若無(wú)法實(shí)現(xiàn)，VCC也應(yīng)當(dāng)在0.5V的Vsw以內(nèi)。單刀雙擲 (SPDT) 開(kāi)關(guān)將確保未選中的輸出上不會(huì)出現(xiàn)圖1所示的任何信號(hào)泄漏。，另一方面，選中的輸出仍然能通過(guò)完整的輸入信號(hào)。因此，如果在剛才所述的例子中，將VCC提高到3.3V，3.6V的輸入Vsw將通過(guò)被選中的輸出。未來(lái)的具有斷電保護(hù)功能的開(kāi)關(guān)將進(jìn)一步增加這個(gè)范圍，容許開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)幅度超過(guò)VCC，甚至獨(dú)立于VCC電源的最高水平。與此同時(shí)，已經(jīng)有簡(jiǎn)單的方案能解決這個(gè)問(wèn)題。在開(kāi)關(guān)VCC引腳和電源走線間串聯(lián)一個(gè)100歐姆的電阻就可防止在過(guò)壓情況下上電帶來(lái)的損害。在發(fā)生過(guò)壓時(shí)，這個(gè)串聯(lián)進(jìn)來(lái)的100歐姆電阻能將回流到VCC線的電流限制在安全的范圍內(nèi)。最后，應(yīng)當(dāng)注意的是，就最大過(guò)壓而言，數(shù)據(jù)表中的極限值無(wú)論在部件上電或斷電時(shí)都是有效的。

結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常要面對(duì)諸如順序上電、熱插拔或系統(tǒng)故障等應(yīng)用情形。在這些情形下，若系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)，其數(shù)據(jù)信號(hào)流甚至功能可靠性都可能受到影響。為了確保系統(tǒng)性能的穩(wěn)健，飛兆半導(dǎo)體許多最新的模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)品都添加了斷電保護(hù)功能。FSUSB30是第一款添加了斷電保護(hù)功能的產(chǎn)品，能抵御USB技術(shù)規(guī)范中所描述未加電時(shí)的Vbus故障情況。飛兆半導(dǎo)體新的模擬開(kāi)關(guān)還包括具備這種保護(hù)功能的USB開(kāi)關(guān)和高性能音頻開(kāi)關(guān)。選擇具有這種功能的模擬開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)人員就能保證系統(tǒng)在未完成加電前的過(guò)壓環(huán)境下將會(huì)受到保護(hù)。