模擬開關(guān)斷電保護功能實現(xiàn)更穩(wěn)健的系統(tǒng)設計

模擬開關(guān)可用于眾多的應用系統(tǒng)中，包括手機、PDA之類的便攜式手持設備以及計算機、顯示器之類的消費電子設備。無論應用中涉及的是音頻、視頻、USB還是控制信號，系統(tǒng)設計人員經(jīng)常都會碰到這樣的情況：開關(guān)在未加電前其輸入就已經(jīng)出現(xiàn)非零信號。在輸入信號過壓的情況下，采用標準設計技術(shù)的模擬開關(guān)很容易在輸入端上形成意外的假信號 (缺乏斷電信號隔離措施) 和造成漏電流超標。由于開關(guān)在未加電時缺乏信號隔離措施，這種假信號會漏過開關(guān)，從而擾亂系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集或處理。 而電流泄漏則是個更嚴重的問題，會導致設備失效和產(chǎn)品返修。為此，飛兆半導體為其最新的模擬開關(guān)產(chǎn)品開發(fā)了專門的斷電保護 (Power-Off Protection) 電路，使模擬開關(guān)不但能夠承受過壓，而且能確保在斷電時保證信號隔離。本文會闡述出現(xiàn)這類過壓的一些常見應用情形，并詳細討論標準的模擬開關(guān)如何響應這個事件。最后，本文還將從數(shù)據(jù)信號通道和可靠性的角度，探討這種斷電保護功能如何克服這些設計挑戰(zhàn)和實現(xiàn)系統(tǒng)保護。

斷電保護功能的一個示例
 
在數(shù)種常見的情形下，都要求模擬開關(guān)在未加電時提供信號隔離功能。其中之一是系統(tǒng)的上電時序，除此之外，其它的應用情形如進行熱插拔和瞬時信號阻斷操作，以及系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，也都需要斷電保護。在系統(tǒng)上電時，一些系統(tǒng)功能必須比另一些先上電，這通常是因為要滿足不同的電壓要求，故需多條內(nèi)部電源走線來實現(xiàn)。一般來說，要取得最好的開關(guān)性能，模擬開關(guān)應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) 會比旁邊那些使用較高電壓的模擬芯片先完成上電。

舉例說，如果用模擬開關(guān)作控制數(shù)據(jù)選擇路由，且通用輸入/輸出 (GPIO) 控制器比模擬開關(guān)先完成上電，那么該控制器就會在開關(guān)完成上電前向其輸入送出一個信號。而模擬開關(guān)必須完成上電，才能確保按照控制輸入進入正確的功能狀態(tài)。對于標準的模擬開關(guān)來說，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。系統(tǒng)設計人員通常都會意識到這種上電時序失配，并指望模擬開關(guān)此時能將輸入與輸出隔離。除非模擬開關(guān)設計了專門的電路來保障上電前的這種信號隔離，否則將會有信號漏過開關(guān)。漏過開關(guān)的信號會導致錯誤的邏輯狀態(tài)，使得系統(tǒng)啟動程序出錯。漏過開關(guān)的信號甚至會同時出現(xiàn)在單刀雙擲開關(guān)的兩個輸出引腳上，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  典型模擬開關(guān)應用中的信號泄漏 

當VCC引腳浮接或其電位幾乎沒被拉低時，開關(guān)輸入信號Vsw有可能給開關(guān)內(nèi)部電路加電，從而使該信號漏過開關(guān)。圖1就是這種情況的示例，圖中VCC節(jié)點電平為Vsw-0.8V。由于該內(nèi)部節(jié)點被加電，開關(guān)將導通，讓輸入信號通過。在這種情況下，本來沒被選中的輸出上也可能出現(xiàn)正電壓信號。
在使用模擬開關(guān)來抵御瞬態(tài)噪音或?qū)崿F(xiàn)故障保護的應用中，開關(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。在用于故障保護的應用中，也期望開關(guān)能抵御長時間 (數(shù)毫秒) 的故障。當正電平輸入電壓持續(xù)時，如在發(fā)生故障或上電時序錯誤的情況下，這種電壓也可能給模擬開關(guān)造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。這種損壞源于從開關(guān)輸入端流向開關(guān)VCC引腳的過量電流。這個電流通道是開關(guān)與生俱來的寄生PMOS體效應二極管的結(jié)果，該二極管在輸入電壓大于VCC+ 0.5V時就象一個正向偏置二極管。要導通這個二極管的確需要一個最小正向電壓，一般認為在0.5V左右。 這個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。這樣，芯片的最大電流很快便會被超過。一旦某一部件因過壓而損壞，該部件通常會使過量漏電持續(xù)，即使在輸入恢復正常狀態(tài)后，也可能無法正常工作。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  典型模擬開關(guān)在過壓時的漏電流路徑 

采用具有斷電保護功能的開關(guān)實現(xiàn)穩(wěn)健的系統(tǒng)設計

具有斷電保護功能的開關(guān)備有專門設計的電路，可防止意外的信號泄漏及保障過壓情況下的系統(tǒng)可靠性。當VCC=0V時，開關(guān)將把輸入信號與輸出隔離開，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漏過開關(guān)。保護電路還可阻止電流從信號引腳到電源引腳的泄漏。當無電源供應時，開關(guān)輸入端呈高阻態(tài)，因此能阻止寄生PMOS體效應二極管處于正向偏置。需要注意的是，除特殊情況外，斷電保護通常只加在開關(guān)其中一端，而不必在兩側(cè)都加保護。在第一代具有斷電保護功能的開關(guān)上，保護是加在通用引腳上，因為其所在端口最容易出現(xiàn)過壓。這意味著系統(tǒng)設計人員必需要仔細閱讀技術(shù)說明，保證能正確配置開關(guān)，以實現(xiàn)所需的保護功能。

系統(tǒng)設計人員很可能希望知道，具有斷電保護功能的開關(guān)在上電完成后輸入信號仍然高于VCC的系統(tǒng)中的操作。例如，如果開關(guān)的電壓VCC=2.8V，而Vsw = 3.6V；在這種情況下，具有斷電保護功能的開關(guān)并不會保護過量的電流泄漏至VCC，因而一定要保證不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)表中的最大額定值。在典型的開關(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致可靠性失效，因此應當避免。在前述例子中，VCC電源應當提升到等于開關(guān)輸入信號的最大值；若無法實現(xiàn)，VCC也應當在0.5V的Vsw以內(nèi)。單刀雙擲 (SPDT) 開關(guān)將確保未選中的輸出上不會出現(xiàn)圖1所示的任何信號泄漏。，另一方面，選中的輸出仍然能通過完整的輸入信號。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將通過被選中的輸出。未來的具有斷電保護功能的開關(guān)將進一步增加這個范圍，容許開關(guān)輸入信號幅度超過VCC，甚至獨立于VCC電源的最高水平。與此同時，已經(jīng)有簡單的方案能解決這個問題。在開關(guān)VCC引腳和電源走線間串聯(lián)一個100歐姆的電阻就可防止在過壓情況下上電帶來的損害。在發(fā)生過壓時，這個串聯(lián)進來的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，應當注意的是，就最大過壓而言，數(shù)據(jù)表中的極限值無論在部件上電或斷電時都是有效的。

結(jié)語

系統(tǒng)設計人員經(jīng)常要面對諸如順序上電、熱插拔或系統(tǒng)故障等應用情形。在這些情形下，若系統(tǒng)采用標準模擬開關(guān)，其數(shù)據(jù)信號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，飛兆半導體許多最新的模擬開關(guān)產(chǎn)品都添加了斷電保護功能。FSUSB30是第一款添加了斷電保護功能的產(chǎn)品，能抵御USB技術(shù)規(guī)范中所描述未加電時的Vbus故障情況。飛兆半導體新的模擬開關(guān)還包括具備這種保護功能的USB開關(guān)和高性能音頻開關(guān)。選擇具有這種功能的模擬開關(guān)，設計人員就能保證系統(tǒng)在未完成加電前的過壓環(huán)境下將會受到保護。