簡介
汽車、軍事和航空電子應用中的惡劣工作環境對集成電路的技 術要求極端苛刻，電路必須能夠承受高電壓和電流、極端溫度和濕度、振動、輻射以及各種其他應力。為了提供安全、娛樂、遠程信息處理、控制和人機界面等應用領域所需的特性和功能，系統工程師迅速采用高性能電子器件。隨著精密電子器件的使用日益增加，系統也變得越來越復雜，而且更易受到電子干擾，其中包括過壓、閂鎖狀況和靜電放電（ESD）事件。這些應用中采用的電子電路需要具有高可靠性和對系統故障的高耐受性，因此設計人員在選擇器件時必須考慮到環境因素和器件自身限制。
此外，每個集成電路都有制造商規定的一些絕對最大額定值；設計時必須留意這些額定值，才能確保性能可靠且達到公布的技術規格。一旦超過這些絕對最大額定值，則無法保證工作參數；甚至可能導致內置ESD、過壓或閂鎖保護失效，從而導致器件（并有可能更進一步）損壞或出現故障。
本文描述了工程師在將模擬開關和多路復用器設計到惡劣環境下所用模塊中時面臨的挑戰，并提供了一些一般解決方案建議， 以供電路設計人員用來保護容易損壞的器件。另外，文中介紹了一些新款集成開關和多路復用器，這些器件在過壓保護、防閂鎖特性和故障保護上均有所改善，能夠處理常見應力狀況。
標準模擬開關架構
要完全弄清楚模擬開關上故障狀況造成的影響，首先必須查看其內部結構和工作極限。
標準CMOS開關（圖1）采用N和P溝道MOSFET作為開關元件、數字控制邏輯和驅動器電路。N和P溝道MOSFET以并聯方式相連，允許進行雙向操作，并將模擬輸入電壓范圍可以擴展到供電軌，同時在整個信號范圍內使導通電阻保持相當恒定。
圖1.標準模擬開關電路
信號源、漏極和邏輯控制端對正負源電壓都設計有箝位二極管以提供ESD保護，如圖1所示。在正常工作模式下，這些二 極管反向偏置，因此除非信號超過電源電壓，否則不會通過電 流。這些二極管的尺寸因工藝而異，不過一般都采用小型設計， 以盡量減少正常工作時的漏電流。
模擬開關的控制方式如下：當柵極-源極電壓為正值時，N溝道器件導通，而當該電壓為負值時則關斷；P溝道器件由互補信號進行切換，因此與N溝道器件同時接通。開關的接通與斷開是通過在兩個柵極上分別施加正負源電壓來實現的。
當柵極上的電壓固定時，兩個晶體管的有效驅動電壓隨著通過開關的模擬信號極性和幅度變化而呈比例變化。圖2中的虛線表示，當輸入信號接近電源電壓時，總有一個器件的溝道開始飽和，從而造成該器件的導通電阻急劇增加。不過，并聯器件在供電軌電壓附近相互補償，因此最終得到的是完全的軌到軌開關，并且導通電阻在信號范圍內保持相對恒定。
圖2.標準模擬開關RON圖
絕對最大額定值
設計時應當注意器件數據手冊中規定的開關功率要求，這樣才能保證性能、操作和壽命均達到最佳。不幸的是，實際操作過程中存在電源故障、惡劣環境中的電壓瞬變和系統或用戶故 障，因而不可能始終達到數據手冊的要求。
只要模擬開關的輸入電壓超過電源電壓，即使電源已關閉，內置ESD保護二極管變成正向偏置，允許流過大電流，這樣即會超過那些額定值。正向偏置時，這些二極管導通電流并不只局限于幾十毫安，一旦不對這個正向電流加以限制，就可能會造成器件損壞。更為嚴重的是，故障導致的損壞并不限于開關， 也可能影響到下游電路。
數據手冊的“絕對最大額定值”部分（圖 3）描述了器件可以 耐受的最大應力條件；請務必注意，這些只是額定最值。長期 在絕對最大額定值條件下工作會影響器件的可靠性。設計人員應當始終遵循良好的工程實踐做法，在設計中保留余量。此處示例摘自標準開關/多路復用器數據手冊。
圖3.數據手冊的“絕對最大額定值”部分
本例中，VDD至VSS參數的額定值為 18 V。該額定值取決于開 關的制造工藝和設計架構。所有高于18V的電壓都必須與該開 關完全隔離開來，否則將會超過與該工藝相關的元件本征擊穿電壓，而這可能會損壞器件并導致工作不可靠。
無論是否施加電源，模擬開關輸入端的電壓上限通常都取決于ESD保護電路，該電路可能會因發生故障情況而失效。
圖4.模擬開關—ESD保護二極管
模擬輸入電壓極值以超出VDD和VSS 0.3 V為限，而數字輸入電壓極值以超出VDD和GND 0.3 V為限。當模擬輸入超過電源電 壓時，內置ESD保護二極管變為正偏并開始導通。如“絕對最大額定值”部分所述，IN、S或D上的過壓由內部二極管箝位。 雖然 30 mA以上的電流可以通過內部二極管且不會產生明顯影響，但是器件可靠性和壽命可能會有所下降，且隨著時間推移可能會出現電子遷移效應（即導線上金屬原子逐漸發生移動）。當強電流流過金屬路徑時，移動中的電子與導線上的金 屬原子之間會產生相互作用，迫使金屬原子隨著電子移動而移動。隨著時間的推移，這可能會導致開路或短路。
在將開關設計到系統中時，需要考慮到系統中因器件故障、用戶錯誤或環境影響而可能出現的各種潛在故障，這點非常重 要。下一節將討論超過標準模擬開關絕對最大額定值的故障狀況是如何損壞開關或導致其工作不正常的。
常見故障狀況、系統應力和保護方法
故障狀況的出現原因各不相同；表1中列出了一些最為常見的系統應力及其實際來源：
有些應力可能無法避免。無論應力的來源是什么，更為重要的 是如何處理其產生的影響。下文問答環節涵蓋了過壓、閂鎖和 ESD 事件三種故障狀況并提供了一些常見的保護方法。
過壓
什么是過壓狀況？
當模擬或數字輸入超過絕對最大額定值時，即會出現過壓狀況。以下三個示例重點介紹了設計人員在使用模擬開關時應考 慮到的一些常見問題。
1.電源缺失且模擬輸入端存在信號（圖5）
在某些應用中，在模塊的電源缺失時，來自遠程位置的輸入信號可能依然存在。當電源缺失時，供電軌可能會變為地，或者一個或多個供電軌可能懸空。如果電源變為地，輸入信號可使內部二極管呈正偏，因而開關輸入端的電流將流向地，這時如果電流未受限制，則會損壞該二極管。
圖5.故障路徑
如果失電導致電源懸空，輸入信號可以通過內部二極管給器件 供電。因此，開關（可能還有采用其VDD電源供電的任何其他 器件）可能會上電。
2. 模擬輸入端的過壓狀況。
當模擬信號超過電源電壓（VDD和VSS）時，電源被拉至故障信號的二極管壓降范圍內。內部二極管轉為正向偏置，電流從輸入信號流至電源。過壓信號還可流過開關并損壞下游器件。通過考慮P溝道FET的情況就可以明白這點（圖 6）。
圖6.FET開關
柵極-源極電壓為負值時，P溝道FET才可接通。當開關柵極等于VDD時，柵極-源極電壓為正值，因此開關斷開。在未加電電路中，當開關柵極等于0V或輸入信號超過VDD時，柵極-源極電壓現在為負值，因此信號將流過該開關。
3.向采用單電源供電的開關施加雙極性信號
這種情況類似于前文所述的過壓狀況。當輸入信號降至地以下， 從而導致信號輸入端和地之間的二極管呈正偏并開始傳導電流時，就會發生該故障。當向開關輸入端施加偏置0 V DC的交流信號時，對于輸入波形負半周的某一部分，寄生二極管可能呈 正偏。如果輸入正弦波降至約–0.6 V以下，就會發生這種情況， 那時二極管將導通并對輸入信號進行削波，如圖7所示。
圖7.削波
處理過壓狀況的最佳方式是什么？
上述三個示例都是模擬輸入超過電源（VDD、VSS或GND）所導 致的結果。針對這些狀況的簡單保護方法包括添加外部電阻、 對電源添加肖特基二極管和在電源上添加阻斷二極管。
限流電阻可以串聯在開關通路和外部電路之間（圖 8）。該電 阻必須足夠大，以便將電流限制在約 30 mA（或絕對最大額定 值所規定的大?。?。明顯缺點是每個溝道的RON有所增加 （?RON），因而最終導致總體系統誤差增加。另外，對于采用多路復用器的應用，關斷通道外部電路上的故障會出現在漏極 處，從而導致其他溝道產生誤差。
圖8.電阻二極管保護網絡
肖特基二極管連接在模擬輸入端和電源之間，可以提供保護， 但是會造成漏電流和電容的增大。這些二極管可以防止輸入信號超過電源電壓0.3V至0.4 V以上，從而確保內部二極管不 會變成正向偏置，因而也就不會產生導通電流。籍由肖特基二極管轉移電流可以起到保護器件的作用，但必須小心不要讓外部器件受到過應力。
第三種保護方法需要與電源串聯阻斷二極管（圖 9），從而阻斷流過內部二極管的電流。輸入端上的故障導致電源懸空，而最大正負輸入信號成為電源。只要電源未超過工藝的絕對最大額定值，器件應該都可以耐受故障。這種方法的缺點是受電源上的二極管影響而導致模擬信號范圍有所縮小。此外，施加于輸入端的信號可能通過器件并影響下游電路。
圖9.與電源串聯的阻斷二極管
While 這些保護方法雖然各有優點和缺點，但都需要外部器件、占用 額外電路板空間并帶來額外成本。在高通道數應用中，這點可能顯得尤為突出。要消除外部保護電路，設計人員應當尋求可耐受這些故障的集成保護解決方案。 ADI 公司提供有多種集成有斷電、過壓和負信號保護功能的開關/多路復用器系列器件。
預防措施有哪些？
ADI公司的 ADG4612 和 ADG4613 具有低導通電阻和低失真性能，非常適合要求高精度的數據采集系統。導通電阻曲線在整個模擬輸入范圍都非常平坦，可確保擁有出色的線性度和低失真性能。
ADG4612系列器件提供斷電保護、過壓保護和負信號處理功能，這些功能是標準 CMOS 開關所無法處理的。
無電源時開關仍然處于斷開狀態。開關輸入端呈現為高阻抗，有限的電流，就可以使開關或下游電路損壞。對于電源接通之前開關輸入端可能存在模擬信號的應用，或者對于用戶無法控制電源上電時序的應用，ADG4612非常有用。在斷開條件下， 高達16 V的信號電平被屏蔽。另外，如果模擬輸入信號電平比 VDD高出VT，開關即會斷開。
圖10.ADG4612/ADG4613開關架構
圖10顯示了該系列器件斷電保護架構的框圖。該架構能夠持續監測開關的源極和漏極輸入，并與電源VDD和VSS進行比較。 在正常工作模式下，該開關的行為與支持完全軌到軌工作模式的標準CMOS開關相同。不過，當源極或漏極輸入出現比電源高出一個閾值電壓的故障狀況時，內部故障電路會檢測到過壓 狀況并將開關置于隔離模式。
ADI公司還提供多路復用器和通道保護器，當器件上施加有 （±15 V）電源時可耐受+40 V/–25 V 的過壓狀況，而在無電源時則可耐受超過+55V/–40V的過壓狀況。這些器件專門設計用于處理斷電狀況導致的故障。
圖11.高壓故障保護開關架構
這些器件由串聯的N溝道、P溝道和N溝道MOSFET組成，如圖11所示。當其中一個模擬輸入或輸出超過電源電壓時，這些MOSFET之一即會斷開，且多路復用器輸入（或輸出）表現為開路，同時輸出箝位至供電軌范圍內，從而防止過壓損壞多路 復用器之后的任何電路。這樣可以保護多路復用器、其驅動的電路以及驅動多路復用器的傳感器或信號源。當電源缺失（如電池斷開連接或電源故障）或暫時斷開連接（如機架系統）時，所有晶體管都關斷，且電流限制在納安級別以下。 ADG508F， ADG509F， 和 ADG528F等8:1和差分4:1多路復用器具有此功能。
單通道保護器 ADG465 和八通道保護器ADG467 具有與這些故障保護多路復用器相同的保護架構，但不具備開關功能。帶有電源時，通道始終處于接通狀態，但在發生故障時，輸出箝位至電源電壓范圍內。
閂鎖
什么是閂鎖狀況？
閂鎖可以定義為因觸發寄生器件而在供電軌之間構建出低阻 抗路徑。閂鎖發生CMOS器件中：本征寄生器件構成PNPN SCR結構，當兩個寄生基極-發射極之一瞬態發生正向偏置時 就發生閂鎖（圖 12）。而SCR導通則導致電源之間持續短路。 觸發閂鎖狀況的后果非常嚴重：在“最好”情況下，它會導致器件出現故障，需要上電周期來將器件恢復到正常工作模式； 在最差情況下，如果電流未受到限制，器件（還有電源）會受到破壞。
圖12.寄生 SCR 結果：a）器件 b）等效電路
前文所述的故障和過壓狀況都是觸發閂鎖狀況的常見原因。如果模擬或數字輸入端的信號超過電源電壓，寄生晶體管即會導通。該晶體管的集電極電流會造成第二個寄生晶體管的基極發射極上出現電壓降低，而使第二個晶體管導通，導致電源之間出現自持續路徑。圖 12（b）清楚地顯示了 Q1 和 Q2 之間形成的SCR電路結構。
這類事件段時間就可以觸發閂鎖。短暫的瞬變、尖峰或ESD事件可能就足以導致器件進入閂鎖狀態。
此外，如果電源電壓超過器件的絕對最大額定值，則可導致內部PN結擊穿并觸發 SCR。
第二種觸發機制是當電源電壓升至足以擊穿一個內部PN結并向SCR注入電流。
處理閂鎖狀況的最佳方式是什么？
針對閂鎖的保護方法包括推薦用于解決過壓狀況的相同保護方法。通過在信號路徑中添加限流電阻、對電源添加肖特基二 極管以及在電源上串聯二極管（如圖8和圖9中所示），這些都可幫助阻止電流流過寄生晶體管，從而防止SCR的觸發。
具有多個電源時，開關可能還存在上電時序問題，處理不當就可能超過其絕對最大額定值。不恰當的上電時序可導致內部二極管導通并觸發閂鎖。通過在電源之間連接外部肖特基二極管，可確保當開關上施加有多個電源時，VDD始終位于這些電源的二極管壓降（對于肖特基二極管，為 0.3 V）范圍內，從而防止違背最大額定值，因而可有效防止出現SCR傳導。
預防措施有哪些？
As an作為外部保護電路的備選方案，一些IC采用外延層工藝制造， 該工藝可增加SCR結構中的襯底和N井之間的電阻。電阻增加 意味著，遇到更惡劣的應力才會觸發SCR，從而使器件比較不容易受到閂鎖影響。ADI公司的iCMOS®工藝就是一個例子，該工藝催生了 ADG121x， ADG141x， 和 ADG161x 開關/多路復用器系列。
對于需要防閂鎖型解決方案的應用，采用溝道隔離技術的新款開關和多路復用器能夠保證工作電壓高達±20 V的高壓工業應用不會發生閂鎖現象。ADG541x和ADG521x系列器件針對易于發生閂鎖現象的儀器儀表、汽車應用、航空電子和其它惡劣環境而設計。該工藝在各CMOS開關的N溝道和P溝道晶體管之間放置一個絕緣氧化物層（trentch）。該氧化物層在器件之間提供垂直和水平方向上的完全隔離。因此，晶體管之間的寄生PN結被消除，從而生產出完全不會發生閂鎖效應的開關電路。
圖13.閂鎖防護中的溝道隔離
行業慣例是根據在內部寄生電阻發展出足以維持閂鎖條件的壓降之前該過壓條件下 I/O 引腳扇入扇出的過電流量，劃分輸入和輸出對閂鎖的敏感性性。
一般認為100 mA足夠。ADG5412防閂鎖系列中的器件可以在 1-ms 脈沖上耐受±500 mA 而不發生失效。ADI公司的閂鎖測 試是根據 EIA/JEDEC-78（IC 閂鎖測試）來執行的。
ESD—靜電放電
什么是 ESD事件？
通常來說，ESD是器件上一種最為常見的電壓瞬變現象，具體 定義為“帶有不同電勢差的兩個物體之間發生的單次快速高電流靜電電荷轉移”。這種現象非常常見：當我們從地毯等絕緣 表面上走過時，電荷即會不斷積累，之后如果接觸設備的接地部分，即會通過設備產生瞬間的高電流放電。
ESD 事件產生的高壓和高峰值電流會損壞 IC。其對模擬開關 的影響包括可靠性隨時間推移而降低、開關性能下降、溝道漏 電流增加或器件完全失效。
在 IC 生命周期的任何階段中，無論從制造到測試，還是在搬 運、OEM 用戶和最終用戶操作過程中，都可能會發生 ESD 事 件。為了評估 IC 對各種 ESD 事件的魯棒性，確定了對下列仿真應力環境進行建模的電子脈沖電路：人體模型 （HBM）、感應 放電模型 （FICDM）和機器放電模型 （MM）。
處理 ESD事件的最佳方式是什么？
在生產、組裝和儲存過程中，可以采用維持靜電安全工作區域等 ESD 防護方法來避免累計任何電荷。這類環境及其中的工作人員通?？梢赃M行仔細控制，但之后器件所用于的環境可能就無從加以控制。
模擬開關 ESD 保護電路通常采用在模擬及數字輸入端和源極之間放置二極管的形式，而電源保護電路也是采用在源極之 放置二極管的形式，如圖 14 所示。
圖14.模擬開關ESD保護電路
保護二極管可以將電壓瞬變箝位并將電流導向源極。這類保護器件的缺點是它們會在正常工作時向信號路徑中增加電容和 漏電流，而這點可能是有些應用中所不希望的。
對于需要更強 ESD 事件保護的應用，通?？梢圆捎谬R納二極管、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、瞬態電壓抑制器（TVS）和二 極管等分立器件。不過，這些器件會在信號線路上造成電容和漏電流增加，因此可能導致信號完整性問題；這意味著設計人員需要仔細考量，并在性能和可靠性之間進行權衡。
預防措施有哪些？
ADI公司的大多數開關/多路復用器產品都滿足至少±2 kV的 HBM水平要求，有些器件在性能方面更進一步，HBM額定值 高達±8kV。 ADG541x 系列器件的HBM指標為±8-kV、FICDM指標為±1.5-kV和MM指標為±400-V，實現高壓性能和高ESD防 護性能的完美結合，是業界當之無愧的領軍產品。
總結
當開關或多路復用器輸入來自遠程信號源時，發生故障的可能性更大。系統上電時序設計不當或系統熱插拔都可能導致過壓。在惡劣的電氣工作環境中，若未采取保護措施，因連接欠佳或感性耦合導致的瞬變電壓可能會損壞元件。此外，出現電源連接丟失而開關輸入端仍然連接至模擬信號這樣的電源失效時，也會發生故障。這些故障狀況可能造成重大損壞，并導致高昂的維修成本。雖然可以采用多種保護設計技術來解決這 些故障，但是成本和電路板空間會增加，并且通常需要對開關性能做出權衡取舍；而且即使是實施外部保護電路，也并不是始終都可以保護下游電路。而模擬開關和多路復用器通常是最容易面臨各種故障條件的電子元件，因此必須了解這些器件在遇到超過絕對最大額定值的狀況時的行為，這點非常重要。
一些開關/多路復用器產品（如此處提到的器件）內部集成有保護電路，讓設計人員無需采用外部保護電路，從而減少了電路板設計中的元件數量和成本。在高通道數應用中，節省將更為顯著。
最終，通過采用具有故障保護、過壓保護、抗閂鎖和高 ESD 額定值的開關，將可得到符合工業要求的高可靠性產品，讓客戶和最終用戶更為滿意。
作者簡介
Michael Manning ［michael.manning@analog.com］ 畢業于愛爾蘭戈爾韋國立大學，獲得應用物理和 電子工程碩士學位。他于 2006 年加入ADI公司， 任職于愛爾蘭利默里克的開關/多路復用器部門。 在此之前， Michael曾作為一名設計和應用工程師 在日本和瑞典ALPS電氣的汽車應用部門工作過五年。