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简介
轿车、军事和航空电子运用中的恶劣作业环境对集成电路的技能要求极点严苛，电路有必要能够接受高电压和电流、极点温度和湿度、振荡、辐射以及各种其他应力。为了供给安全、文娱、长途信息处理、操控和人机界面等运用领域所需的特性和功用，体系工程师敏捷选用高功用电子器材。跟着精细电子器材的运用日益添加，体系也变得越来越杂乱，并且更易遭到电子干扰，其间包含过压、闩锁情况和静电放电 (ESD)事情。这些运用中选用的电子电路需求具有高牢靠性和对体系毛病的高耐受性，因而规划人员在挑选器材时有必要考虑到环境要素和器材本身约束。
此外，每个集成电路都有制作商规则的一些肯定最大额定值；规划时有必要留心这些额定值，才干确保功用牢靠且到达发布的技能规范。一旦超越这些肯定最大额定值，则无法确保作业参数；乃至或许导致内置ESD、过压或闩锁维护失效，然后导致器材（并有或许更进一步）损坏或呈现毛病。
本文描绘了工程师在将模仿开关和多路复用器规划到恶劣环境下所用模块中时面对的应战，并供给了一些一般处理计划主张，以供电路规划人员用来维护简略损坏的器材。别的，文中介绍了一些新款集成开关和多路复用器，这些器材在过压维护、防闩锁特性和毛病维护上均有所改善，能够处理常见应力情况。
规范模仿开关架构
要彻底弄清楚模仿开关上毛病情况构成的影响，首要有必要检查其内部结构和作业极限。
规范CMOS开关（图1）选用N和P沟道MOSFET作为开关元件、数字操控逻辑和驱动器电路。N和P沟道MOSFET以并联办法相连，答应进行双向操作，并将模仿输入电压规模能够扩展到供电轨，一起在整个信号规模内使导通电阻坚持适当稳定。
信号源、漏极和逻辑操控端对正负源电压都规划有箝位二极管以供给ESD维护，如图1所示。在正常作业方式下，这些二极管反向偏置，因而除非信号超越电源电压，不然不会经过电流。这些二极管的尺度因工艺而异，不过一般都选用小型规划，以尽量削减正常作业时的漏电流。
模仿开关的操控办法如下：当栅极-源极电压为正值时，N沟道器材导通，而当该电压为负值时则关断；P沟道器材由互补信号进行切换，因而与N沟道器材一起接通。开关的接通与断开是经过在两个栅极上别离施加正负源电压来完成的。
当栅极上的电压固守时，两个晶体管的有用驱动电压跟着经过开关的模仿信号极性和起伏改变而呈份额改变。图2中的虚线表明，当输入信号挨近电源电压时，总有一个器材的沟道开端饱满，然后构成该器材的导通电阻急剧添加。不过，并联器材在供电轨电压邻近彼此补偿，因而终究得到的是彻底的轨到轨开关，并且导通电阻在信号规模内坚持相对稳定。
肯定最大额定值
规划时应当留意器材数据手册中规则的开关功率要求，这样才干确保功用、操作和寿数均到达最佳。不幸的是，实践操作过程中存在电源毛病、恶劣环境中的电压瞬变和体系或用户毛病，因而不或许一直到达数据手册的要求。
只需模仿开关的输入电压超越电源电压，即便电源已封闭，内置ESD维护二极管变成正向偏置，答应流过大电流，这样即会超越那些额定值。正向偏置时，这些二极管导通电流并不只局限于几十毫安，一旦不对这个正向电流加以约束，就或许会构成器材损坏。更为严峻的是，毛病导致的损坏并不限于开关，也或许影响到下流电路。
数据手册的”肯定最大额定值”部分（图3）描绘了器材能够耐受的最大应力条件；请有必要留意，这些仅仅额定最值。长时刻在肯定最大额定值条件下作业会影响器材的牢靠性。规划人员应当一直遵从杰出的工程实践做法，在规划中保存余量。此处示例摘自规范开关/多路复用器数据手册。
本例中，VDD至VSS 参数的额定值为18 V。该额定值取决于开关的制作工艺和规划架构。一切高于18 V的电压都有必要与该开关彻底阻隔开来，不然将会超越与该工艺相关的元件本征击穿电压，而这或许会损坏器材并导致作业不牢靠。
不管是否施加电源，模仿开关输入端的电压上限一般都取决于ESD维护电路，该电路或许会因发作毛病情况而失效。
模仿输入电压极值以超出VDD和VSS 0.3 V为限，而数字输入电压极值以超出VDD和GND 0.3 V为限。当模仿输入超越电源电压时，内置ESD维护二极管变为正偏并开端导通。如”肯定最大额定值”部分所述，IN、S或D上的过压由内部二极管箝位。尽管30 mA以上的电流能够经过内部二极管且不会发作显着影响，可是器材牢靠性和寿数或许会有所下降，且跟着时刻推移或许会呈现电子搬迁效应（即导线上金属原子逐步发作移动）。当强电流流过金属途径时，移动中的电子与导线上的金属原子之间会发作彼此效果，迫使金属原子跟着电子移动而移动。跟着时刻的推移，这或许会导致开路或短路。
在将开关规划到体系中时，需求考虑到体系中因器材毛病、用户过错或环境影响而或许呈现的各种潜在毛病，这点十分重要。下一节将评论超越规范模仿开关肯定最大额定值的毛病情况是怎么损坏开关或导致其作业不正常的。
常见毛病情况、体系应力和维护办法
毛病情况的呈现原因各不相同；表1中列出了一些最为常见的体系应力及其实践来历：
表1
| 毛病类型 | 毛病原因 |
|
过压： |
• 失电 • 体系误动作 • 热插拔衔接和断开衔接 • 电源上电时序问题 • 接线过错 • 用户过错 |
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闩锁： |
• 过压情况（如上所述） • 超越工艺额定值 • SEU（单粒子翻转） |
|
ESD: |
•寄存/拼装 • PCB拼装 • 用户操作 |
有些应力或许无法防止。不管应力的来历是什么，更为重要的是怎么处理其发作的影响。下文问答环节涵盖了过压、闩锁和ESD事情三种毛病情况并供给了一些常见的维护办法。
过压
什么是过压情况？
当模仿或数字输入超越肯定最大额定值时，即会呈现过压情况。以下三个示例要点介绍了规划人员在运用模仿开关时应考虑到的一些常见问题。
1.电源缺失且模仿输入端存在信号（图5）。
在某些运用中，在模块的电源缺失时，来自长途方位的输入信号或许依然存在。当电源缺失时，供电轨或许会变为地，或许一个或多个供电轨或许悬空。假如电源变为地，输入信号可使内部二极管呈正偏，因而开关输入端的电流将流向地，这时假如电流未受约束，则会损坏该二极管。
假如失电导致电源悬空，输入信号能够经过内部二极管给器材供电。因而，开关（或许还有选用其 VDD电源供电的任何其他器材）或许会上电。
2.模仿输入端的过压情况。
当模仿信号超越电源电压(VDD 和 VSS)时，电源被拉至毛病信号的二极管压降规模内。内部二极管转为正向偏置，电流从输入信号流至电源。过压信号还可流过开关并损坏下流器材。经过考虑P沟道FET的情况就能够理解这点（图6）。
栅极-源极电压为负值时，P沟道FET才可接通。当开关栅极等于VDD时，栅极-源极电压为正值，因而开关断开。在未加电电路中，当开关栅极等于0 V或输入信号超越 VDD时，栅极-源极电压现在为负值，因而信号将流过该开关。
3. 向选用单电源供电的开关施加双极性信号。
这种情况类似于前文所述的过压情况。当输入信号降至地以下，然后导致信号输入端和地之间的二极管呈正偏并开端传导电流时，就会发作该毛病。当向开关输入端施加偏置0 V DC的沟通信号时，关于输入波形负半周的某一部分，寄生二极管或许呈正偏。假如输入正弦波降至约–0.6 V以下，就会发作这种情况，那时二极管将导通并对输入信号进行削波，如图7所示。
处理过压情况的最佳办法是什么？
上述三个示例都是模仿输入超越电源(VDD, VSS或GND）所导致的成果。针对这些情况的简略维护办法包含添加外部电阻、对电源添加肖特基二极管和在电源上添加阻断二极管。
限流电阻能够串联在开关通路和外部电路之间（图8）。该电阻有必要满足大，以便将电流约束在约30 mA（或肯定最大额定值所规则的巨细）。显着缺陷是每个沟道的RON有所添加(∆RON),因而终究导致整体体系差错添加。别的，关于选用多路复用器的运用，关断通道外部电路上的毛病会呈现在漏极处，然后导致其他沟道发作差错。
肖特基二极管衔接在模仿输入端和电源之间，能够供给维护，可是会构成漏电流和电容的增大。这些二极管能够防止输入信号超越电源电压0.3 V至0.4 V以上，然后确保内部二极管不会变成正向偏置，因而也就不会发作导通电流。籍由肖特基二极管转移电流能够起到维护器材的效果，但有必要当心不要让外部器材遭到过应力。
第三种维护办法需求与电源串联阻断二极管（图9），然后阻断流过内部二极管的电流。输入端上的毛病导致电源悬空，而最大正负输入信号成为电源。只需电源未超越工艺的肯定最大额定值，器材应该都能够耐受毛病。这种办法的缺陷是受电源上的二极管影响而导致模仿信号规模有所缩小。此外，施加于输入端的信号或许经过器材并影响下流电路。
这些维护办法尽管各有长处和缺陷，但都需求外部器材、占用额定电路板空间并带来额定本钱。在高通道数运用中，这点或许显得尤为杰出。要消除外部维护电路，规划人员应当寻求可耐受这些毛病的集成维护处理计划。ADI公司供给有多种集成有断电、过压和负信号维护功用的开关/多路复用器系列器材。
预防措施有哪些？
ADI公司的ADG4612 和ADG4613具有低导通电阻和低失真功用，十分合适要求高精度的数据收集体系。导通电阻曲线在整个模仿输入规模都十分平整，可确保具有超卓的线性度和低失真功用。
ADG4612系列器材供给断电维护、过压维护和负信号处理功用，这些功用是规范CMOS开关所无法处理的。
无电源时开关依然处于断开情况。开关输入端呈现为高阻抗，有限的电流，就能够使开关或下流电路损坏。关于电源接通之前开关输入端或许存在模仿信号的运用，或许关于用户无法操控电源上电时序的运用，ADG4612十分有用。在断开条件下，高达16 V的信号电平被屏蔽。别的，假如模仿输入信号电平比VDD 高出 VT，开关即会断开。
图10显现了该系列器材断电维护架构的框图。该架构能够继续监测开关的源极和漏极输入，并与电源VDD 和VSS进行比较。在正常作业方式下，该开关的行为与支撑彻底轨到轨作业方式的规范CMOS开关相同。不过，当源极或漏极输入呈现比电源高出一个阈值电压的毛病情况时，内部毛病电路会检测到过压情况并将开关置于阻隔方式。
ADI公司还供给多路复用器和通道维护器，当器材上施加有(±15 V)电源时可耐受+40 V/–25 V的过压情况，而在无电源时则可耐受超越+55 V/–40 V的过压情况。这些器材专门规划用于处理断电情况导致的毛病。
这些器材由串联的N沟道、P沟道和N沟道MOSFET组成，如图11所示。当其间一个模仿输入或输出超越电源电压时，这些MOSFET之一即会断开，且多路复用器输入（或输出）表现为开路，一起输出箝位至供电轨规模内，然后防止过压损坏多路复用器之后的任何电路。这样能够维护多路复用器、其驱动的电路以及驱动多路复用器的传感器或信号源。当电源缺失（如电池断开衔接或电源毛病）或暂时断开衔接（如机架体系）时，一切晶体管都关断，且电流约束在纳安等级以下。ADG508F, ADG509F和 ADG528F 等8:1和差分4:1多路复用用具有此功用。
单通道维护器ADG465和八通道维护器ADG467 具有与这些毛病维护多路复用器相同的维护架构，但不具有开关功用。带有电源时，通道一直处于接通情况，但在发作毛病时，输出箝位至电源电压规模内。
闩锁
什么是闩锁情况？
闩锁能够界说为因触发寄生器材而在供电轨之间构建出低阻抗途径。闩锁发作CMOS器材中：本征寄生器材构成PNPN SCR结构，当两个寄生基极-发射极之一瞬态发作正向偏置时就发作闩锁（图12）。而SCR导公例导致电源之间继续短路。触发闩锁情况的成果十分严峻：在”最好”情况下，它会导致器材呈现毛病，需求上电周期来将器材康复到正常作业方式；在最差情况下，假如电流未遭到约束，器材（还有电源）会遭到破坏。
前文所述的毛病和过压情况都是触发闩锁情况的常见原因。假如模仿或数字输入端的信号超越电源电压，寄生晶体管即会导通。该晶体管的集电极电流会构成第二个寄生晶体管的基极发射极上呈现电压下降，而使第二个晶体管导通，导致电源之间呈现自继续途径。图12(b)清楚地显现了Q1和Q2之间构成的SCR电路结构。
这类事情段时刻就能够触发闩锁。时间短的瞬变、尖峰或ESD事情或许就足以导致器材进入闩锁情况。
此外，假如电源电压超越器材的肯定最大额定值，则可导致内部PN结击穿并触发SCR。
第二种触发机制是当电源电压升至足以击穿一个内部PN结并向SCR注入电流。
处理闩锁情况的最佳办法是什么？
针对闩锁的维护办法包含引荐用于处理过压情况的相同维护办法。经过在信号途径中添加限流电阻、对电源添加肖特基二极管以及在电源上串联二极管（如图8和图9中所示），这些都可协助阻挠电流流过寄生晶体管，然后防止SCR的触发。
具有多个电源时，开关或许还存在上电时序问题，处理不妥就或许超越其肯定最大额定值。不恰当的上电时序可导致内部二极管导通并触发闩锁。经过在电源之间衔接外部肖特基二极管，可确保当开关上施加有多个电源时，VDD一直坐落这些电源的二极管压降（关于肖特基二极管，为0.3 V）规模内，然后防止违反最大额定值，因而可有用防止呈现SCR传导。
预防措施有哪些？
作为外部维护电路的备选计划，一些IC选用外延层工艺制作，该工艺可添加SCR结构中的衬底和N井之间的电阻。电阻添加意味着，遇到更恶劣的应力才会触发SCR，然后使器材比较不简略遭到闩锁影响。ADI公司的iCMOS® 工艺便是一个比如，该工艺催生了ADG121x, ADG141x和 ADG161x开关/多路复用器系列。
关于需求防闩锁型处理计划的运用，选用沟道阻隔技能的新款开关和多路复用器能够确保作业电压高达±20 V的高压工业运用不会发作闩锁现象。 ADG541x和ADG521x 系列器材针对易于发作闩锁现象的仪器仪表、轿车运用、航空电子和其它恶劣环境而规划。该工艺在各CMOS开关的N沟道和P沟道晶体管之间放置一个绝缘氧化物层(trentch）。该氧化物层在器材之间供给笔直和水平方向上的彻底阻隔。因而，晶体管之间的寄生PN结被消除，然后出产出彻底不会发作闩锁效应的开关电路。
职业常规是依据在内部寄生电阻发展出足以保持闩锁条件的压降之前该过压条件下I/O引脚扇入扇出的过电流量，区分输入和输出对闩锁的敏理性性。
一般以为100 mA满足。ADG5412防闩锁系列中的器材能够在1-ms脉冲上耐受±500 mA而不发作失效。ADI公司的闩锁测验是依据EIA/JEDEC-78（IC闩锁测验）来履行的。
ESD—静电放电
什么是ESD事情？
一般来说，ESD是器材上一种最为常见的电压瞬变现象，详细界说为”带有不同电势差的两个物体之间发作的单次快速高电流静电电荷转移。这种现象十分常见：当咱们从地毯等绝缘表面上走过期，电荷即会不断堆集，之后假如触摸设备的接地部分，即会经过设备发作瞬间的高电流放电。
ESD事情发作的高压和高峰值电流会损坏IC。其对模仿开关的影响包含牢靠性随时刻推移而下降、开关功用下降、沟道漏电流添加或器材彻底失效。
在IC生命周期的任何阶段中，不管从制作到测验，仍是在转移、OEM用户和终究用户操作过程中，都或许会发作ESD事情。为了评价IC对各种ESD事情的鲁棒性，确认了对下列仿真应力环境进行建模的电子脉冲电路：：人体模型 (HBM), 感应放电模型( (FICDM)和 机器放电模型 (MM).
处理ESD事情的最佳办法是什么？
在出产、拼装和贮存过程中，能够选用保持静电安全作业区域等ESD防护办法来防止累计任何电荷。这类环境及其间的作业人员一般能够进行细心操控，但之后器材所用于的环境或许就无从加以操控。
模仿开关ESD维护电路一般选用在模仿及数字输入端和源极之间放置二极管的方式，而电源维护电路也是选用在源极之间放置二极管的方式，如图14所示。
维护二极管能够将电压瞬变箝位并将电流导向源极。这类维护器材的缺陷是它们会在正常作业时向信号途径中添加电容和漏电流，而这点或许是有些运用中所不期望的。
关于需求更强ESD事情维护的运用，一般能够选用齐纳二极管、金属氧化物压敏电阻(MOV)、瞬态电压抑制器(TVS)和二极管等分立器材。不过，这些器材会在信号线路上构成电容和漏电流添加，因而或许导致信号完好性问题；这意味着规划人员需求细心考量，并在功用和牢靠性之间进行权衡。
预防措施有哪些？
ADI公司的大多数开关/多路复用器产品都满足至少±2 kV的HBM水平要求，有些器材在功用方面更进一步，HBM额定值高达±8 kV。ADG541x系列器材的HBM目标为±8-kV、FICDM目标为±1.5-kV和MM目标为±400-V，完成高压功用和高ESD防护功用的完美结合，是业界名副其实的领军产品。
总结
当开关或多路复用器输入来自长途信号源时，发作毛病的或许性更大。体系上电时序规划不妥或体系热插拔都或许导致过压。在恶劣的电气作业环境中，若未采纳维护措施，因衔接欠佳或理性耦合导致的瞬变电压或许会损坏元件。此外，呈现电源衔接丢掉而开关输入端依然衔接至模仿信号这样的电源失效时，也会发作毛病。这些毛病情况或许构成严重损坏，并导致昂扬的修理本钱。尽管能够选用多种维护规划技能来处理这些毛病，可是本钱和电路板空间会添加，并且一般需求对开关功用做出权衡取舍；并且即便是施行外部维护电路，也并不是一直都能够维护下流电路。而模仿开关和多路复用器一般是最简略面对各种毛病条件的电子元件，因而有必要了解这些器材在遇到超越肯定最大额定值的情况时的行为，这点十分重要。
作者简介一些开关/多路复用器产品（如此处说到的器材）内部集成有维护电路，让规划人员无需选用外部维护电路，然后削减了电路板规划中的元件数量和本钱。在高通道数运用中，节约将更为明显。
终究，经过选用具有毛病维护、过压维护、抗闩锁和高ESD额定值的开关，将可得到契合工业要求的高牢靠性产品，让客户和终究用户更为满足。
附录
ADI公司的开关/多路复用器维护产品：
高压防闩锁型开关
| 产品型号 | 装备 | 有用开关数量 | RON (Ω) | 最大模仿信号规模 | 电荷注入 (pC) | 85°C时的接通走漏(nA) | 电源电压 |
| ADG5212 | SPST/NO | 4 | 160 | VSS 至 VDD | 0.07 | 0.25 |
双电源 (±15 V), 双电源 (±20 V),
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