對電子系統可靠性的高要求，特別是在工業環境中，不斷給開發人員帶來巨大的挑戰。過壓保護是一個關鍵的設計考量因素和挑戰，因為要保護系統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常會對系統產生影響，在最壞的情況下，甚至會產生錯誤信號。除此之外，這些部件會額外增加成本，還會進一步加重空間限制問題。因此，在設計保護電路時，傳統的解決方案往往需要在系統精度和保護等級之間做出妥協。
通常，常見的簡單設計方法是使用外部保護二極管，通常是瞬態電壓抑制器(TVS)二極管，安裝在信號線和電源線或接地線之間。TVS二極管相當有用，因為他們可以快速對瞬態的電壓峰值作出反應。圖1左側所示的就是這種類型的外部過壓保護。
圖1.采用額外的分立式組件的傳統型過壓保護設計
如果發生正瞬態電壓脈沖過壓，電流會通過D1流向VDD以箝位此正瞬態電壓脈沖，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。在非常惡劣的環境條件下，輸入端的雙向TVS二極管通常用于增強保護。
這種類型的保護電路的缺點包括增加信號上升和下降時間以及電容效應。此外，當電路處于斷電狀態時，不提供任何保護。
實際的器件，例如模數轉換器(ADC)、運算放大器等，通常都內置保護功能。如圖1右側所示，此保護功能由開關架構構成。從圖1還可以看出，電源軌兩側都配有輸入端和輸出端保護二極管。這種設置存在缺點，當浮動信號在斷電狀態（IC沒有通電）下出現時，開關可能會像處于活動狀態一樣（即使設置為關閉），電流會流經二極管和電源軌。這種現象將允許電流通過信號線路，導致信號線路失去保護。
故障保護開關架構
解決上述問題的一種方法是使用配有雙向ESD單元的故障保護開關架構，如圖2所示。現在，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二極管限制，而是由開關的最大額定電壓限制。除此以外，還可以實現更高的系統魯棒性和可靠性，且不會對實際信號及其精度產生影響。此外，開關關斷時泄漏電流非常低，所以也不需要使用額外的限流電阻。
圖2.配有集成式雙向ESD單元的過壓保護
ADI公司(ADI)提供的四通道單刀單擲(SPST)開關ADG5412F采用了這種輸入結構。無論現有電源多大，此開關都可以承受高達±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5.5 kV的瞬態電壓。在過壓條件下，只有受影響的通道會打開，其他通道繼續正常工作。
結論
得益于這種過壓保護開關，電路可以大大簡化。與傳統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性能方面，還是在優化空間使用率方面，這種解決方案都具有明顯優勢。因此，ADG5412F提供的過壓保護特別適用于惡劣環境下的高精度測量應用。
作者簡介
Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業客戶提供支持，并專注于工業以太網領域。他畢業于德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。