汽车、军事、以及航空电子应用装置所处的严苛环境将集成电路推向技术上的极限，要求它们能够忍受高电压与电流、极端的温度与湿度、振动、辐射、以及各种其它的应力。

系统工程师们正在迅速的采用高性能电子组件，藉以在安全、娱乐、远程通信、控制与人机接口等应用领域当中提供各种特点与功能。精密电子组件使用率的提高所换来的，是更高的系统复杂度以及更容易受到电气干扰（包括过电压、闭锁情况与静电放电等）的影响。因为使用于这些应用装置当中的电子电路需要对系统故障具有高可靠度与高容错度，因此设计者必须要同时考虑环境以及他们所挑选的这些组件的限制。

除此之外，生产厂商针对每一种集成电路设定了绝对最大额定值；这些额定值必须要详加观察，目的是要维持可靠的运作以及符合所公布的规格。假如超过了绝对最大额定值的话，运作参数将无法获得保证；而对抗ESD、过电压、或是闭锁的内部保护功能也可能会失效，进而造成装置（并且有可能更进一步）的损坏或故障。

本文将会介绍在把模拟开关与多任务器设计成使用于严苛环境中之模块时，工程师所要面对的挑战，并针对一般性的解决方案提供建议，让电路设计者可以用来保护其脆弱的零件。同时也会介绍一些新的整合式开关与多任务器，能够提供更好的过电压保护、抗闭锁、以及故障保护等功能，以便处理常见的应力状况。

标准模拟开关架构

为了要完整的了解在模拟开关上所发生故障状况的影响，我们首先必须检视其内部架构以及运作上的限制。标准的CMOS开关（图1）使用N与P信道MOSFET做为开关的组件、数字控制逻辑、以及驱动器电路。以并联方式链接N与P信道MOSFET可以实现双向作业，让模拟输入电压延伸至供电轨，同时在信号范围内维持相当恒定的导通电阻。

图一 : 标准模拟开关电路

源极、汲极、以及逻辑终端都包含了对应电源供应的箝位二极管（clamping diodes），用以提供ESD保护功能，如图1中所示。在一般作业中的反向偏压，二极管不会有电流通过，除非信号超过了供电电压。二极管会依据制程而改变其大小，不过通常都会保持在小巧尺寸以便将正常作业中的漏电流最小化。

模拟开关的控制方式如下：N信道组件开启时做为闸极对源极正电压，关闭时则做为闸极对源极负电压；P信道组件会透过互补信号加以切换，因此它会随N信道组件同时开启。开关的开启和关闭是透过将闸极驱动至相对的供电轨而进行。

透过闸极上的固定电压，任一组晶体管的有效驱动电压会随着通过开关的模拟信号极性与磁性而呈现等比例的改变。图2当中的虚线所代表的是当输入信号接近供电时，某个组件或是其它组件的信道就会开始饱和，进而造成该组件的导通电阻激增。然而并联组件会以邻近的轨电压相互补偿，因此其结果就是在信号范围中具有相对恒定导通电阻的完整轨对轨开关。

图二 : 标准模拟开关RON图解

绝对最大额定值

在组件技术手册当中所设定的开关功率需求应该要加以遵循，其目的是为了保证能够有优化的性能、运作、以及寿命。不幸的是，发生在真实世界作业当中的电源供应故障、严苛环境中的电压瞬时、以及系统或是用户的故障，都会使其难以一直符合技术手册中的建议。

每当模拟开关输入电压超过了供电电压时，内部ESD保护二极管就会转成正向偏压，让大电流得以流动(即便供电是在关闭状态下)，进而导致超过额定值的状况。在正向偏压的情况下，二极管无法通过大于数十毫安的电流；假如不对此电流加以限制的话，它们可能会损坏。此外，因为故障所造成的损坏不仅限于开关，同样也会对下游的电路造成影响。

技术手册中的绝对最大额定值（如图3）代表着该组件所能容忍的最大应力条件；重要的是要注意这些只是应力额定值。长时间暴露在绝对最大额定值的状况下可能会影响组件的可靠度。设计者应该要透过在设计当中保留余裕，持续的遵循良好的工程设计实行方法。此处的范例是来自于标准的开关/多任务器技术手册。

图三 : 技术手册中的绝对最大额定值部份

在此范例当中，VDD至VSS参数的额定值为18 V。额定值是由开关的生产制程与设计架构所决定的。任何高于18 V的电压必须要与开关完全的隔离，否则如果超过了与制程相关的组件内部击穿电压，就会使组件损坏并导致不可靠的作业。

不论是有或没有电源供应，使用于模拟开关输入上的电压限制往往是肇因于ESD保护电路，可能会失效并进而导致故障状况的发生。

图四 : 模拟开关–ESD保护二极管

模拟与数字输入电压规格被限制在VDD与VSS以上0.3V，而数字输入电压则被限制在VDD与接地以上0.3V。当模拟输入超过了供电时，内部的ESD保护二极管会转成正向偏压并开始导电。就如同在绝对最大额定值部份中所提到的，在IN、S、或D的过电压会被内部二极管加以限制。虽然超过30mA的电流可以通过内部二极管而不会有任何明显的影响，但是组件的可靠度与寿命却可能因此降低，而电致迁移（electromigration）(导体中金属原子的逐渐位移)的效应也会随着时间而出现。因为大量的电流流经过金属路径，移动的电子与导体中的金属离子相互作用，迫使原子随着电子流而移动。随着时间的过去，这可能会导致电路开路或是短路。

在将一个开关设计到一组系统当中时，有一点很重要的就是要考虑可能会因为组件故障、用户故障、或是环境的影响而发生在系统中的潜在故障。下一个部份将会讨论到超越标准模拟开关绝对最大额定值的故障状况会如何导致开关的损坏，或是使开关功能失常。

常见的故障状况、系统应力以及保护方法

故障状况的发生可能有许多不同的原因；在表1当中所列举的是一些最为常见的系统应力以及它们的来源。

有些应力可能是难以预防的。不论应力的来源为何，更重要的问题是如何处理其所带来的影响。以下的问题与答案涵盖了这些故障状况：过电压、闭锁、以及ESD事件─还有一些常见的保护方法。

选用正确的开关组件

当开关或是多任务器输入来自于远程设置的源极时，故障发生的可能性就会提高。过电压状况可能会因为系统的电源供应定序设计不良，或是热插入为必要项目而发生。在严苛的电气环境当中，因为不良的链接或是电感式耦合所形成的瞬时电压，假如没有加以保护的话可能会对组件造成损害。

故障可能会因为电源链接中断，但开关输入却仍然接收到模拟信号的电源供应故障而发生。这些故障状况可能会造成严重的损害，甚至可能导致毁坏而需要昂贵的修理费用。虽然有许多的保护性设计技术可以用来处理这些故障，但是它们也会增加额外的成本与电路板空间，而且往往也需要在开关性能上加以权衡；而即使是利用外部保护的执行方案，下游电路也无法一直受到保护。

由于模拟开关与多任务器往往是一个模块中最有可能发生故障的电子组件，因此了解它们在遭遇到超过绝对最大额定值的状况时会有何反应是相当重要的。

目前已经有具备整合式保护功能的开关/多任务器产品，像是本文中所提到的组件，让设计者可以省去外部的保护电路、减少电路板设计中的组件数量与成本。具有高信道数量的应用装置会有更为显著的节省。

最后，使用具有故障保护、过电压保护、抗闭锁功能以及高ESD等级的开关，可以制作出符合工业规范的耐用产品，并且加强客户与终端用户的满意度。

（作者为ADI爱尔兰Limrick开关/多任务器事业群应用工程师）