1 應用簡報

現代系統(tǒng)性能和安全要求通常意味著需要額外的保護電路，從而導致要使用多個分立式元件。這涉及額外的成本、設計時間以及增加的元件數量和 PCB 空間。本文討論基于故障保護開關的新型系統(tǒng)設計和相關優(yōu)點，以及相對于傳統(tǒng)分立式設計方法的性能優(yōu)勢。

新型的先進故障保護多路復用器系列采用了具有精密性能的氧化硅工藝，可幫助降低設計人員的工作難度。故障保護多路復用器為系統(tǒng)提供額外的一層保護，防止出現所有過沖和過壓情況。TI 新推出的 TMUX73xxF 和 TMUX74xx 系列開關采用了新的工藝技術，帶來了這一新穎的保護功能，使設計具有更高的集成度和安全性。

傳統(tǒng)分立式保護開關與故障保護開關

圖 1-1 所示為使用分立式元件的分立式電路的傳統(tǒng)實現方式。開關側具有用于每個電源軌的 ESD 二極管。在開關的輸入和輸出端均提供了 ESD 二極管，旨在更大程度降低漏電流。各種額定值的肖特基二極管等外部元件對輸入端的過壓進行鉗制，實現過壓保護。電流由串聯(lián)電阻進行限制。可能會省略肖特基二極管，因為這種二極管會增加電流限制電阻，從而進一步引入額外的失調。該解決方案采用雙向 TVS 提供額外保護。

另一方面，在故障保護開關設計（圖 1-2）中，ESD 二極管被 ESD 單元取代，ESD 單元根據工藝的限制提供所需的電壓范圍。輸出端的 ESD 二極管保持不變，因為通常不需要在輸出端提供保護。輸入端的 ESD 單元也可提供出色的 ESD 保護，與分立式 ESD 二極管的效果一樣，甚至更好。

圖 1 分立式保護

圖 2 集成故障保護

可以在信號輸入和信號調節(jié)電路（例如 ADC、MCU 或 FPGA）之間引入故障保護多路復用器。多路復用器可為下游元件提供過壓和誤接線保護。TMUX7308F（8:1 單通道多路復用器）和 TMUX7412F（1:1 四通道低 R_ON 多路復用器）等故障保護多路復用器可以在過壓和共模電壓條件下提供出色的保護。

±5V 至 ±22V 雙電源，8V 至 44V 單電源
斷電情況下提供 ±60V 電壓保護
±60V 接地電壓保護
提供從源極到電源或從源極到漏極的 ±85V 電壓保護
無故障通道將正常運行
指示故障狀態(tài)的中斷標志
抗閂鎖效應

模擬 I/O 模塊中的故障保護

高性能信號鏈的模擬輸入保護通常是系統(tǒng)設計人員的痛點。通常需要在模擬性能（例如泄漏和導通電阻）與分立式元件可提供的保護級別之間做出重要的權衡。

在模擬輸入可編程邏輯控制器 (PLC) 中，多路復用器往往用于將多個傳感器切換到單個ADC。使用 TMUX7308F 或 TMUX7309F 等多路復用器可減少系統(tǒng)中的元件數量，從而節(jié)省系統(tǒng)成本、減小尺寸并提高穩(wěn)健性。在 PLC 模塊中，與外部現場變送器和傳感器交互時通常涉及 ±10V 和 ±15V 輸入信號范圍；但可能出現一些故障情況，會損壞許多集成電路。此類故障情況可能包括但不限于誤接線導致的人為錯誤、EOS（高于標準多路復用器額定值的瞬態(tài)情況以及可能導致?lián)p壞和系統(tǒng)故障的斷電保護）、閂鎖故障等。

圖 3 多路復用輸入模塊

對于 RTD 輸入模塊，可以使用 TMUX7462F（1:1 四通道保護器件）等器件來保護 ADC 的模擬輸入 (AIN) 通道，防止出現誤接線或過壓和過沖情況。使用熱電偶輸入時需要額外的過壓保護，因為熱電偶在更高的電源電壓下工作，此電壓可能會傳遞到下游元件并損壞電路。該器件還具有用戶定義的閾值故障保護（次級電壓 V_FP 和 V_FN）以及可提供額外控制和監(jiān)測的故障檢測功能。

總結

使用過壓保護開關和多路復用器取代傳統(tǒng)的分立式保護元件可以簡化設計并在精密信號鏈中提供諸多系統(tǒng)優(yōu)勢。此外，集成保護功能可為系統(tǒng)設計帶來穩(wěn)健性，而高密度 WQFN 封裝也可節(jié)省 PCB 空間。

參考文獻

德州儀器 (TI)，RTD 測量基本指南應用手冊