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嚴苛環境下的開關與多工器設計考量
應用工程師答客問-(1)

【作者: Michael Manning】   2012年07月20日 星期五

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汽車、軍事、以及航空電子應用裝置所處的嚴苛環境將積體電路推向技術上的極限,要求它們能夠忍受高電壓與電流、極端的溫度與濕度、振動、輻射、以及各種其它的應力。


系統工程師們正在迅速的採用高性能電子元件,藉以在安全、娛樂、遠程通信、控制與人機介面等應用領域當中提供各種特點與功能。精密電子元件使用率的提高所換來的,是更高的系統複雜度以及更容易受到電氣干擾(包括過電壓、閉鎖情況與靜電放電等)的影響。因為使用於這些應用裝置當中的電子電路需要對系統故障具有高可靠度與高容錯度,因此設計者必須要同時考量環境以及他們所挑選的這些元件的限制。


除此之外,生產廠商針對每一種積體電路設定了絕對最大額定值;這些額定值必須要詳加觀察,目的是要維持可靠的運作以及符合所公佈的規格。假如超過了絕對最大額定值的話,運作參數將無法獲得保證;而對抗ESD、過電壓、或是閉鎖的內部保護功能也可能會失效,進而造成裝置(並且有可能更進一步)的損壞或故障。


本文將會介紹在把類比開關與多工器設計成使用於嚴苛環境中之模組時,工程師所要面對的挑戰,並針對一般性的解決方案提供建議,讓電路設計者可以用來保護其脆弱的零件。同時也會介紹一些新的整合式開關與多工器,能夠提供更好的過電壓保護、抗閉鎖、以及故障保護等功能,以便處理常見的應力狀況。


標準類比開關架構

為了要完整的瞭解在類比開關上所發生故障狀況的影響,我們首先必須檢視其內部架構以及運作上的限制。標準的CMOS開關(圖1)使用N與P通道MOSFET做為開關的元件、數位控制邏輯、以及驅動器電路。以並聯方式連結N與P通道MOSFET可以實現雙向作業,讓類比輸入電壓延伸至供電軌,同時在信號範圍內維持相當恆定的導通電阻。



圖一 :  標準類比開關電路
圖一 :  標準類比開關電路

源極、汲極、以及邏輯終端都包含了對應電源供應的箝位二極體(clamping diodes),用以提供ESD保護功能,如圖1中所示。在一般作業中的反向偏壓,二極體不會有電流通過,除非信號超過了供電電壓。二極體會依據製程而改變其大小,不過通常都會保持在小巧尺寸以便將正常作業中的漏電流最小化。


類比開關的控制方式如下:N通道元件開啟時做為閘極對源極正電壓,關閉時則做為閘極對源極負電壓;P通道元件會透過互補信號加以切換,因此它會隨N通道元件同時開啟。開關的開啟和關閉是透過將閘極驅動至相對的供電軌而進行。


透過閘極上的固定電壓,任一組電晶體的有效驅動電壓會隨著通過開關的類比信號極性與磁性而呈現等比例的改變。圖2當中的虛線所代表的是當輸入信號接近供電時,某個元件或是其它元件的通道就會開始飽和,進而造成該元件的導通電阻激增。然而並聯元件會以鄰近的軌電壓相互補償,因此其結果就是在信號範圍中具有相對恆定導通電阻的完整軌對軌開關。



圖二 :  標準類比開關RON圖解
圖二 :  標準類比開關RON圖解

絕對最大額定值

在元件技術手冊當中所設定的開關功率需求應該要加以遵循,其目的是為了保證能夠有最佳化的性能、運作、以及壽命。不幸的是,發生在真實世界作業當中的電源供應故障、嚴苛環境中的電壓暫態、以及系統或是使用者的故障,都會使其難以一直符合技術手冊中的建議。


每當類比開關輸入電壓超過了供電電壓時,內部ESD保護二極體就會轉成正向偏壓,讓大電流得以流動(即便供電是在關閉狀態下),進而導致超過額定值的狀況。在正向偏壓的情況下,二極體無法通過大於數十毫安培的電流;假如不對此電流加以限制的話,它們可能會損壞。此外,因為故障所造成的損壞不僅限於開關,同樣也會對下游的電路造成影響。


技術手冊中的絕對最大額定值(如圖3)代表著該元件所能容忍的最大應力條件;重要的是要注意這些只是應力額定值。長時間暴露在絕對最大額定值的狀況下可能會影響元件的可靠度。設計者應該要透過在設計當中保留餘裕,持續的遵循良好的工程設計實行方法。此處的範例是來自於標準的開關/多工器技術手冊。



圖三 :  技術手冊中的絕對最大額定值部份
圖三 :  技術手冊中的絕對最大額定值部份

在此範例當中,VDD至VSS參數的額定值為18 V。額定值是由開關的生產製程與設計架構所決定的。任何高於18 V的電壓必須要與開關完全的隔離,否則如果超過了與製程相關的元件內部擊穿電壓,就會使元件損壞並導致不可靠的作業。


不論是有或沒有電源供應,使用於類比開關輸入上的電壓限制往往是肇因於ESD保護電路,可能會失效並進而導致故障狀況的發生。


圖四 :  類比開關–ESD保護二極體
圖四 :  類比開關–ESD保護二極體

類比與數位輸入電壓規格被限制在VDD與VSS以上0.3V,而數位輸入電壓則被限制在VDD與接地以上0.3V。當類比輸入超過了供電時,內部的ESD保護二極體會轉成正向偏壓並開始導電。就如同在絕對最大額定值部份中所提到的,在IN、S、或D的過電壓會被內部二極體加以限制。雖然超過30mA的電流可以通過內部二極體而不會有任何明顯的影響,但是元件的可靠度與壽命卻可能因此降低,而電致遷移(electromigration)(導體中金屬原子的逐漸位移)的效應也會隨著時間而出現。因為大量的電流流經過金屬路徑,移動的電子與導體中的金屬離子相互作用,迫使原子隨著電子流而移動。隨著時間的過去,這可能會導致電路開路或是短路。


在將一個開關設計到一組系統當中時,有一點很重要的就是要考量可能會因為元件故障、使用者故障、或是環境的影響而發生在系統中的潛在故障。下一個部份將會討論到超越標準類比開關絕對最大額定值的故障狀況會如何導致開關的損壞,或是使開關功能失常。


常見的故障狀況、系統應力以及保護方法

故障狀況的發生可能有許多不同的原因;在表1當中所列舉的是一些最為常見的系統應力以及它們的來源。


(表一) 常見的系統應力以及來源

故障類型

故障原因

過電壓

•失去電力
•系統機能失常
•熱插拔連結與斷開
•電源供應定序問題
•故障接線
•使用者故障

閉鎖

• 過電壓狀況(同以上所列)
•超過製程額定值
•SEU(單一事件擾亂)

ESD

•儲存/組裝
• PCB 組裝
•使用者操作


有些應力可能是難以預防的。不論應力的來源為何,更重要的問題是如何處理其所帶來的影響。以下的問題與答案涵蓋了這些故障狀況:過電壓、閉鎖、以及ESD事件─還有一些常見的保護方法。


選用正確的開關元件

當開關或是多工器輸入來自於遠端設置的源極時,故障發生的可能性就會提高。過電壓狀況可能會因為系統的電源供應定序設計不良,或是熱插拔為必要項目而發生。在嚴苛的電氣環境當中,因為不良的連結或是電感式耦合所形成的暫態電壓,假如沒有加以保護的話可能會對元件造成損害。


故障可能會因為電源連結中斷,但開關輸入卻仍然接收到類比信號的電源供應故障而發生。這些故障狀況可能會造成嚴重的損害,甚至可能導致毀壞而需要昂貴的修理費用。雖然有許多的保護性設計技術可以用來處理這些故障,但是它們也會增加額外的成本與電路板空間,而且往往也需要在開關性能上加以權衡;而即使是利用外部保護的執行方案,下游電路也無法一直受到保護。


由於類比開關與多工器往往是一個模組中最有可能發生故障的電子元件,因此瞭解它們在遭遇到超過絕對最大額定值的狀況時會有何反應是相當重要的。


目前已經有具備整合式保護功能的開關/多工器產品,像是本文中所提到的元件,讓設計者可以省去外部的保護電路、減少電路板設計中的元件數量與成本。具有高通道數量的應用裝置會有更為顯著的節省。


最後,使用具有故障保護、過電壓保護、抗閉鎖功能以及高ESD等級的開關,可以製作出符合工業規範的耐用產品,並且加強客戶與終端使用者的滿意度。


(作者為ADI愛爾蘭Limrick開關/多工器事業群應用工程師)


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