AN-1380: 产生故障保护开关的副故障电源

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简介

ADI公司的新系列故障保护开关(ADG5462F、ADG5243F、ADG5248F和ADG5249F)支持用户自定义的故障保护电平。器件的两个副电源POSFV和NEGFV用于设置过压保护启动的电平。POSFV可以用4.5 V至VDD的电源供电，NEGFV可以用VSS至0 V的电源供电。如果没有负电源，必须将这些引脚(POSFV和NEGFV)连接到VDD (POSFV)和VSS (NEGFV)。这种情况下，过压保护将在主电源电压时启动。当源极输入电压超出POSFV或NEGFV超出幅度达到阈值电压VT时，通道关断；或者，如果器件未通电，通道也将保持关断状态。当通道关断时，源极输入保持高阻抗。

副电源(POSFV和NEGFV)提供故障保护发挥作用所需的电流，因而必须是低阻抗电源。由于这个原因，它们不能从主供电轨上的电阻分压器产生。本应用笔记描述根据系统要求产生副供电轨的一些方案，以及各种电源配置方案的优点和缺点。

故障保护概述

利用内部电路，开关可以将源极引脚上的电压与POSFV和NEGFV进行比较，从而检测过压输入。如果信号电压超出副电源电压超出幅度达到电压阈值(VT)，则认为该信号过压。阈值电压典型值为0.7 V，但可能在0.8 V(−40°C时)至0.6 V(+125°C时)范围内变动。

图1. 开关通道和控制功能。

图1. 开关通道和控制功能。

当一个源极引脚(Sx)上检测到过压状况时，开关自动断开，该源极引脚变为高阻态，确保无电流流过开关。然后，根据器件以及DR引脚(如有)的配置，漏极引脚被拉至所超过的电源或变为开路。

图2. 故障期间ADG5462F漏极输出响应。

图2. 故障期间ADG5462F漏极输出响应。

采用ADG5462F通道保护器的数据采集信号链

图3示例是一个采用ADG5462F通道保护器的数据采集信号链的一部分。PGA利用±15 V供电轨实现最佳模拟性能，ADC下游的输入信号范围为0 V至5 V。

图3. ADG5462F通道保护器应用示例。

图3. ADG5462F通道保护器应用示例。

通道保护器位于可编程增益放大器(PGA)和模数转换器(ADC)之间，正常工作时允许信号通过，但在过压情况下，它将PGA的过压输出箝位在0 V到5 V之间，从而保护ADC。

图4突出显示了ADG5462F通道保护器上使用单独的主电源电压和副电源电压的优点。本例中的ADC信号范围是0 V到5 V。开关采用5.5 V单电源供电时，开关导通电阻(RON)在信号范围内会有很大的变化，对THD + N等系统性能参数不利。利用开关的RON平坦区域和±15 V主电源可优化系统性能。ADC会受到副供电轨所设置的阈值的保护。

图4. R<sub>ON</sub>的平坦工作范围。

图4. RON的平坦工作范围。

POSFV/NEGFV配置方案

POSFV和NEGFV故障电源有多种配置方式。主要考虑事项如下：

  • 模拟开关性能要求：设定对主供电轨的要求
  • 下游器件要求的故障保护电平：设定对副供电轨的电压要求
  • 其他系统供电轨的可用性：确定产生POSFV/NEGFV电源的要求

下面详细说明几种不同的方案。


POSFV连接VDD且NEGFV连接VSS (或GND)


POSFV连接VDD且NEGFV连接VSS (或GND)是最简单的配置，其设置的故障阈值电压与主供电轨电压相同。发生故障时，漏极引脚箝位在VDD + 0.7 V或VSS − 0.7 V。

图5. 主电源短接副电源。

图5. 主电源短接副电源。

图6. 漏极输出对正过压的响应(POSFV连接V<sub>DD</sub>。

图6. 漏极输出对正过压的响应(POSFV连接VDD。

这种配置既有优点，也有缺点。

电源相连的优点

这是最简单的配置，无需其他供电轨或分立器件。

电源相连的缺点

如果降低VDD/VSS范围以满足保护电压要求，则与设置较宽的VDD/VSS范围相比，RON。此外，在故障期间，漏极引脚箝位至VDD/POSFV以上约0.7 V，然后开关关断。因此，下游器件会看到短时间(约500 ns)的超过VDD的小过冲。不过，此能量比1 kV ESD脉冲更友好，应当不会引起任何系统问题，如图7中的示波器图所示。

图7. 故障期间的过冲。

图7. 故障期间的过冲。

POSFV/NEGFV各使用单独的低阻抗电源


POSFV和NEGFV各使用单独的低阻抗电源是许多应用的默认工作模式。在以上“采用ADG5462F通道保护器的数据采集信号链”部分所述的示例中，已经有合适的供电轨可供用户使用，例如用于PGA的±15 V电源和用于ADC的+5V/GND电源。这种情况下使用的电源范围更宽，可实现最佳模拟性能，副电源保护下游器件免受预期信号范围以上的过压故障影响。

图8. 单独的低阻抗副供电轨。

图8. 单独的低阻抗副供电轨。

图9. 漏极输出对正过压的响应(专用POSFV供电轨)。

图9. 漏极输出对正过压的响应(专用POSFV供电轨)。

这种配置既有优点，也有缺点。

独立电源的优点

使用独立电源可提供最佳RON性能。此外，用户可根据下游器件的特定保护要求设置故障阈值。

独立电源的缺点

一个重要考虑是该配置需要独立的低阻抗供电轨。如果系统中没有电源可用，必须从DC-DC转换器或主电源的缓冲电阻分压器产生电源。


主供电轨与副供电轨之间增加一个二极管


某些情况下，下游器件对超出主供电轨的过压非常敏感。此时，漏极引脚在故障后箝位至VDD + 0.7 V并持续500 ns可能是不允许的。为将箝位电压降到大致等于VDD电压的电平，一种方案是在VDD和POSFV之间增加一个二极管。POSFV比VDD低一个二极管压降，因此，故障阈值和箝位电压大致与VDD电压相同。

图10. 二极管配置的副供电轨。

图10. 二极管配置的副供电轨。

图11. 漏极输出对正过压的响应(V<sub>DD</sub>和POSFV之间连接一个二极管)。

图11. 漏极输出对正过压的响应(VDD和POSFV之间连接一个二极管)。

由于内部漏极箝位二极管以副电源为基准，并且副电源不是由低阻抗源驱动，因此这种解决方案仅适合于源极引脚迅速进入故障状况的情况。如果源极引脚以较慢的斜坡速率进入故障状况，POSFV或NEGFV引脚可能会随故障而动，保持比故障电压低一个二极管压降的电平。这可能会导致检测不到过压事件。如果进入故障状况的斜坡速率很慢，使用一个较大的POSFV/NEGFV稳定电容会有帮助。

这种配置既有优点，也有缺点。

增加二极管的优点

在主供电轨与副供电轨之间增加一个二极管可限制超过VDD的过冲，对敏感的下游电路有利。此外，这种配置可设置自定义故障阈值，而不会产生额外的系统供电轨。

增加二极管的缺点

为了产生POSFV/NEGFV供电轨，需要增加分立器件(即两个二极管)。信号范围也可能会略微降低(如果内部和外部二极管压降不匹配，故障检测器可能会在主供电轨内触发)。此外，这种配置不适合于斜坡速率较慢的故障状况。


使用齐纳二极管的反向击穿电压配置POSFV/NEGFV


如果没有其他定制供电轨可用，系统设计人员需要产生POSFV和NEGFV电源。为此，一种方案是在主供电轨和副供电轨之间使用一个齐纳二极管，然后利用POSFV/NEGFV电源电流引起的反向击穿电压(齐纳电压)配置副供电轨。

击穿电压为2 V和以上的齐纳二极管很容易获得，因此，利用这种方法可产生任意POSFV/NEGFV电压。

漏极响应与具有专用副供电轨的情况相似，如图9所示。不同器件的齐纳电压可能有所不同，而且齐纳电压会随温度而变化。因此，POSFV/NEGFV电压(故而阈值电压)不像专用供电轨那样稳定。然而，如果故障阈值容差满足应用需求，那么这将是一种廉价且简单的副供电轨配置方式。

图12. 齐纳二极管配置的副供电轨。

图12. 齐纳二极管配置的副供电轨。

这种配置既有优点，也有缺点。

使用齐纳二极管的优点

使用齐纳二极管的配置可设置自定义故障阈值，而不会产 生额外的系统供电轨。

使用齐纳二极管的缺点

齐纳二极管配置需要额外的分立器件来产生POSFV/NEGFV供电轨。因此，齐纳电压随器件和温度的变化会直接影响故障阈值精度。齐纳二极管配置不适合于斜坡速率较慢的故障状况(类似于上述二极管配置)。

小结

故障保护开关允许用户设置特定故障阈值，达到该阈值时，开关关断。设置较宽的主电源电压有利于开关实现最佳模拟性能(例如更平坦、更低的导通电阻RON)。若需要较低的故障阈值电压，则POSFV和NEGFV需要单独的低阻抗电源以产生这些阈值。