1 應(yīng)用簡報

現(xiàn)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(dǎo)致要使用多個分立式元件。這涉及額外的成本、設(shè)計時間以及增加的元件數(shù)量和 PCB 空間。本文討論基于故障保護開關(guān)的新型系統(tǒng)設(shè)計和相關(guān)優(yōu)點，以及相對于傳統(tǒng)分立式設(shè)計方法的性能優(yōu)勢。

新型的先進故障保護多路復(fù)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(shè)計人員的工作難度。故障保護多路復(fù)用器為系統(tǒng)提供額外的一層保護，防止出現(xiàn)所有過沖和過壓情況。TI 新推出的 TMUX73xxF 和 TMUX74xx 系列開關(guān)采用了新的工藝技術(shù)，帶來了這一新穎的保護功能，使設(shè)計具有更高的集成度和安全性。

傳統(tǒng)分立式保護開關(guān)與故障保護開關(guān)

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(xiàn)方式。開關(guān)側(cè)具有用于每個電源軌的 ESD 二極管。在開關(guān)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(xiàn)過壓保護。電流由串聯(lián)電阻進行限制?？赡軙÷孕ぬ鼗O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(diào)。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(guān)設(shè)計（圖 1-2）中，ESD 二極管被 ESD 單元取代，ESD 單元根據(jù)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(diào)節(jié)電路（例如 ADC、MCU 或 FPGA）之間引入故障保護多路復(fù)用器。多路復(fù)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(fù)用器）和 TMUX7412F（1:1 四通道低 R_ON 多路復(fù)用器）等故障保護多路復(fù)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(biāo)志
• 抗閂鎖效應(yīng)

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(shè)計人員的痛點。通常需要在模擬性能（例如泄漏和導(dǎo)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(quán)衡。

在模擬輸入可編程邏輯控制器 (PLC) 中，多路復(fù)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(fù)用器可減少系統(tǒng)中的元件數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(dǎo)致的人為錯誤、EOS（高于標(biāo)準(zhǔn)多路復(fù)用器額定值的瞬態(tài)情況以及可能導(dǎo)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(fù)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(xiàn)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。

參考文獻

• 德州儀器 (TI)，RTD 測量基本指南應(yīng)用手冊