1.2 使用离散组件的故障保护方案

这是本演讲的第二个模块， 题目是多通道数据采集系统中 高压多路复用器的系统级保护。 现在我们已经了解了严重影响[听不清] 过电压故障情况。 让我们讨论一些简单的解决方案， 这些解决方案可以用来保护多路复用器 和其他组件，以维护数据采集系统的 完整性。 第一种保护方案是 简单地将两个二极管与多路复用器的电源插脚 串联起来。 在过电压条件下，这种结构 通过阻止电流通过ESD二极管 和器件的寄生SCR结构 来保护多路复用器和信号源， 因此，保护装置不因 过电流而损坏。 一个典型的设置是显示在右边， 一对1N4148二极管是串联放置的 正负15伏特供应的 多路复用器。 这些二极管的额定电压降约为1伏， 可以处理高达75伏的反向电压。 左边的图显示了Vdd、Vss 和多路复用器的上引脚， Vout上的电压， 当角度引脚从负20伏 上升到正20伏时。 可以看出，在故障过程中， 电源引脚Vdd和Vss上的电压开始紧紧跟随输入电压。 事实上，他们将在约1个二极管压降 低于输入故障电压电平。 因此，开关将能够完全通过故障电压， 发现输入到输出端没有任何夹紧， 如图中蓝色曲线所示。 在这种情况下，过压(听不清) 成为设备的电源。 只要输入管脚电压相差不大， 就可以避免对管的损坏 电源不超过设备的 绝对最大额定值，即在我们这里使用的 MUX36S08设备的情况下为40伏。 还应该注意的是，在正常工作中，至少添加两个二极管 会使多路复用器的模拟信号范围 减少两个二极管压降。 在这种特殊的设置中，在正常运行中， 这个轨对轨支持的多路复用器的 允许信号范围从正负15伏特 减小到正负14伏特。 在上一张幻灯片中，我们讨论了在故障状态下 从输入到输出的 完整信号。 这可以在左边捕获的范围上 清楚地说明，它显示输出跟随输入， 这是一个1千赫兹的正弦信号，非常接近， 几乎没有退化。 另一方面，正电源电压Vdd 也被监测。 可以看出，在过电压故障状态下， Vdd开始跟随 输入电压。 现在，让我们来谈谈使用这些 保护二极管的优缺点。 首先，由于二极管只放置在电源插脚上， 因此它不向信号路径本身 引入任何直通组件，因此保持了 信号的完整性。 此外，故障通道继续 以最小的失真运行， 这可以在左边捕获的范围中看到。 此外，这种保护方案 只需要两个小二极管， 实现成本非常低。 另一方面，使用这种方法 也有一些缺点。 首先，在故障情况下， Vdd和Vss跟随输入故障电压， 因此，将过电压条件 从输入引脚转换到电源引脚。 因此，系统中与相同电源相连的 任何其他组件可能会承受 超过额定电压的过压应力， 并可能受到损坏。 此外，全尺寸故障电压 从输入端传递到输出端。 即使多路复用器是受保护的， 电压可能过高，会对下游组件 造成损害，如开路或ADC。 另外，供电电压随故障电压而变化， 在[听不清]引起变化 以及其他参数多路复用器， 因此，即使没有发生故障， 也会影响通道的测量精度。 接下来，我们来谈谈另一种保护计划 这很容易实现。 在故障状态下损坏多路复用器的首要原因 是流过ESD二极管的 电流过大。 因此，可以将限流电阻 与输入信号串联， 限制ESD二极管的电流。 右边显示了一个例子， 当多路复用器的电源为正负15伏时， 假设多路复用器的输入端 发生正负20伏的过电压故障。 在这个特殊的实施中， 我们希望将ESD二极管的 电流限制在1000万以下。 因此，串联电阻 需要至少为430欧姆， 这是由20伏特减去15伏特减去0.7伏特， 二极管压降电压，除以10毫安的二极管电流 计算出来的。 为了获得更多的余量，我们在这个特殊的例子中 选择一个值为1千欧姆。 这种保护方案的性能 可以在左边的图中看到，其中红线表示 输出电压，蓝线表示 流经1千欧姆电阻的电流。 从图中可以看出，当输入端开始出现 过电压故障时， 在电源电压水平附近成功地钳住了上电压。 由于ESD二极管所建立的低阻抗路径， 电流也开始迅速增加。 然而，电流受到电阻的限制。 因此，多路复用器仍然受到保护。 应该注意的是，在大多数情况下， 多路复用器是由开关稳压器 或线性稳压器供电的。 电源不是用来吸收或源电流， 就像在过电压的情况下。 因此，建议电源插脚 放置稳压二极管，以避免 任何反向电流流入 为这些插脚供电的电路。 这种冲击确保过压问题 不只是从输入端转移到电源插脚， 如前面的保护方案所示。 在这个特殊的设置中，我们选择了稳压二极管 BZX55C16，它的反向箝位电压为15.3伏特 到17.1伏特。它可以携带 24毫安的反向电流。 接下来，让我们看看实际范围捕获的波形。 与上一种情况类似，在1千兆欧电阻之前， 将1千兆欧正弦波形式 注入多路复用器的输入端。 可以清楚地看到， 在故障状态下，输出电压 被夹紧在电源电平附近。 现在让我们讨论一下 使用这种方法的优缺点。 首先，在正方，结果表明， 在故障条件下，输出被夹紧 到Vdd + 0.7伏和Vss - 0.7伏。 因此，在任何下游电路上 都没有过压应力。 此外，由于这个内部二极管 放置的供应引脚，也没有 过电压应力的供应引脚。 然而，在另一方面，串联电阻 在单程通过急剧增加。 这不仅会影响系统的THD性能， 还会影响测量精度，特别是 对于低阻抗测量系统， 由于分压器的损耗。 串联电阻还与多路复用器上的 寄生电容相互作用， 产生RC效应，增加信号的稳定时间， 限制系统的采样频率。 RC效应还降低了带宽， 导致高速信号失真。 此外，流过ESD二极管的大电流 会产生热量，尤其是 在高压持续直流故障的情况下。 这可能会给多路复用器 带来长期的可靠性问题。 最后，输入电流， 除了进入 ESD二极管， 也可以开始流入多路复用器的基板 并导致错误和潜在的对设备不受控制的行为， 甚至是频道 我们看到了故障。 接下来，让我们讨论第三种保护方案。 与上一种保护方案类似， 输入端采用串联电阻， 电源端采用稳压二极管。 然而，在这个实施中， 外部Schottky二极管被放置在 输入端和供应端，而不是仅仅 依靠多路复用器的内部ESD二极管 来传导电流。 Schottky二极管的正向电压 通常在0.3伏特到0.4伏特之间， 而传统二极管的正向电压为0.7伏特。 因此，它们会比多路复用器的内部ESD 二极管更早触发，并在故障状态下 传导大部分电流。 在这种特殊的设置中， 选择了1N5830 Schottky二极管。 二极管正向电压为0.37伏， 反向电压可达20伏。 反向泄漏电流在室温下约为100微安， 但在高温下急剧增加到 10毫安以上。 保护方案的行为 可以在左边的图中看到， 这与上一个方案非常相似， 因为输出电压被夹在电源电平附近。 在这种情况下，确切的说，它是Vdd + 0.37伏 和Vss - 0.37伏。 电流通过Schottky二极管也被绘制。 当输入端发生故障时， Schottky二极管开始接收电流。 接下来，让我们看看实际范围 捕获中的波形。 与上一种情况类似，在故障状态下， 输出电压被夹紧在电源电平附近。 在这个特殊的设置中， 它被夹在15.3伏和负15.3点伏。 因此，在整个故障状态电流中 使用Schottky二极管代替内部ESD二极管的 优缺点是什么？ 最大的好处是我们不需要 担心任何过热 或任何寄生组件触发多路复用器。 这有助于系统变得更加强大。 一般来说，Schottky二极管也能 比典型的内部ESD二极管携带高得多的电流。 在1N5820 Schottky二极管的情况下， 他们可以携带多达3安培，相比之下， 相比内部二极管的30毫安。 此外，与之前的保护方案类似， 输出被夹在电源电压水平。 所以在电源和任何下游电路上 都没有过电压应力。 但是，与前面的情况类似， 仍然需要串联电阻来限制二极管电流。 串联电阻也会造成类似的缺点， 如对THD的影响、测量精度 和采样速度。 此外，一个典型的Schottky二极管 具有更差的泄漏电流性能。 高泄漏电流随温度变化， 串联电阻高， 造成不可预测的电压下降， 以及造成测量误差。 Schottky 二极管通常具有更低的 反向电压额定值，这使得它们不适合 可能经历更高故障电压的系统。 此外，Schottky二极管价格昂贵， 在每个通道上安装两个这样的二极管可以迅速提高成本， 同时大幅增加电路板的尺寸。 现在让我们来看看我今天要讨论的 最后一个离散保护方案， 它要么是稳压二极管，要么是瞬态电压抑制， 要么是TVS二极管，以及信号通路中的 串联电阻。 稳压二极管可用作 电压箝位装置，将多路复用器的输入电压 限制到预定的电平。 是处理直流或低频过电压故障的 理想设备。另一方面， TVS类型具有更快的响应时间， 更适合处理瞬态类型的故障。 齐纳二极管，如果使用，应该放在串联电阻后， 因为它提供电流限制， 并有助于建立反向箝位电压。 另一方面，如果使用TVS二极管， 则应将其置于连接到多路复用器 输入引脚的小电阻之前。 在故障状态下，TVS二极管 将所有电流分流到地面， 而小电阻有助于保护 可能损坏多路复用器的瞬态电流。 电阻的值可以小得多，通常 在10欧姆到30欧姆的范围内， 因为TVS分流在故障期间 将大部分电流分流到地面。 在这个特殊的设置中，使用了P6KE15CA TVS二极管。 二极管具有最大值工作电压为12.8伏。 故障发生在15伏左右， 这与我们的二重正负15伏的多路复用器操作很匹配。 左边的图表显示了 正负20伏电压故障时输出的响应。 这与使用其他类型的 二极管时的响应非常相似。 接下来，让我们看看范围捕获。 正如所料，在故障状态下， 输出被夹紧在供应水平附近， 类似于前两种保护方案。 使用齐纳二极管或TVS二极管的好处是 精确的箝位电压。 在多路复用器之后， 电源或任何下游电路上 都没有过电压应力。 也没有过热的问题， 只要二极管的击穿电压 被设计为低于1二极管压低电源。 更重要的是，与Schottky二极管相比， 反向泄漏电流要小得多。 因此，对于高精度的测量系统， 它是一个较好的 保护方案。 此外，如果在多路复用器的前端 使用TVS二极管，它还有助于 防止其他类型的瞬态故障， 如ESD电涌或电气快速瞬态故障。 TVS二极管也只需要一个小串联电阻， 缓解了大串联电阻的缺点， 如THD、测量精度和采样速度。 然而，当使用TVS二极管 或稳压二极管进行电压箝位时， 也存在一些其他缺点。 首先，它们引入高寄生电容。 增加的电容可以与多路复用器的 寄生元件相互作用，影响信号性能 和信号的稳定时间， 限制了系统的整体采样速度。 尽管它比Schottky二极管的方法 要小得多，TVS或稳压二极管 仍然会引入一些泄漏电流， 这可能会影响系统的精度。 此外，如果要在多路复用器的 每个通道上安装一个TVS二极管或齐纳二极管，