什么是过电压状况？

过电压状况会在类比或数位输入状况超过了绝对最大额定值的时候发生。以下三种例子可以凸显出设计者在使用类比开关时必须要加以考量的常见问题。

信号出现在类比输入的当中，但是电力中断（如图5）

在某些应用装置当中，虽然来自于远端位置的输入信号仍然有出现，但是对某个模组的电源供应却已经中断了。当电力中断时，电源供应轨会走向接地；或者一或多组可能会浮动。假如供电走向接地，那么输入信号就可以将内部二极体转成正向偏压，而来自于开关输入的电流就会流向接地(假如电流没有受到限制的话就会损害二极体)。

图五 : 故障路径

假如电力中断会导致供电浮动，那么输入信号就可以透过内部二极体对零件供电。如此一来，开关以及可能是任何利用其VDD供电运作的其它元件都可以获得通电。

在类比输入中的过电压情况

当类比信号超过了电源供应（VDD与VSS）时，供电可能会被拉到故障信号的二极体位降以内。内部二极体会转变成正向偏压，而电流的流动会从输入信号流向供电。过电压信号也可以通过开关并对下游元件造成损害。关于这点的说明可以透过对P通道FET的考量而加以了解（图6）。

图六 : FET开关

P通道FET需要闸极对源极的负电压以便使其开启。随着开关闸极等于VDD，闸极对源极电压会转为正电，因此开关就会关闭。在无供电的电路当中，当开关闸极为0 V或是输入信号超过VDD时，信号将会通过开关─因为现在的闸极对源极是负电压。

双极讯号应用于以单一供电的开关

这个情况类似于先前所提到的过电压情况。故障会在输入信号走向接地时发生，此将导致从类比输入到接地的二极体转为正向偏压，而电流就会流动。当一组ac信号(偏压至0 V dc)被套用在开关输入时，寄生二极体可以针对输入波形之负半周期的某些部份而予以正向偏压。假如输入正弦波降至大约- 0.6 V以下时这种情况就会发生，进而开启二极体并将输入信号予以削波，如图7中所示。

图七 : 削波

处理过电压状况的最佳方法为何？

以上的三种范例都是类比输入超过供电─VDD、VSS、或是GND的结果。要对抗这些状况的简单保护方法包括有对供电增加外部电阻、萧特基二极体，以及在供电上增加阻断二极体等。

用以限制电流的电阻以串联的方式与任何会接触到外部源极的开关通道设置在一起（图8）。电阻值必须要够高才能够将电流限制在大约30 mA左右（或是如同绝对最大额定值所设定）。其明显的缺点就是每个通道RON、ΔRON、以及最终的总体系统故障的升高。此外，对于使用多工器的应用装置而言，在关闭通道源极上的故障可能会出现在吸极，进而造成其它通道的故障。

图八 : 电阻二极管保护网络

从类比输入连结至供电的萧特基二极体会提供保护功能，但是其代价就是漏电与电容。二极体会避免使输入信号超过供电电压0.3 V至0.4 V，确保内部二极体不会转成正向偏压，而电流就不会流动。透过萧特基二极体转移电流可以保护元件，但是必须要注意不能对外部元件过度施压。

第三种保护的方法是将阻断二极体与供电以串联方式设置（图9），借以阻断电流流经内部二极体。在输入上的故障会使供电浮动，而大部分的正与负输入信号会转变成供电。只要供电不超过处理程序的绝对最大额定值，该元件就能够容许其故障。这种方法的缺点就是类比信号范围会因为供电上的二极体而缩减。此外，加诸于输入上的信号也会通过元件并影响下游电路。

图九 : 与供电串联的阻断二极管

虽然这些保护方法都有其优点与缺点，但是它们都需要外部元件、额外的电路板空间、以及更多的成本。这点在具有高通道数量的应用装置中会特别的明显。为了要消除外部保护电路的需求，设计者应该要找到可以容许这些故障的整合式保护解决方案。 ADI提供许多具有能够对抗断电、过电压、以及负信号之整合式保护功能的开关/多工器家族。

目前有提供什么样的玉封装解决方案?

来自于ADI的ADG 4612以及ADG 4613具有低导通电阻与失真度，使它们很适合使用于需要高精确度的资料搜集系统。导通电阻的数据图表在整个类比输入范围中非常的平坦，可以确保有杰出的线性度与低失真度。

ADG4612家族提供断电保护、过电压保护、以及负信号处理等功能,而这些都是所有标准CMOS开关所无法处理的状况。

当没有电源供应出现时，开关会维持在关闭的状态。开关输入会呈现高阻抗，进而将可能会导致开关或下游电路损坏的电流流动加以限制住。这点对于在电源开启前类比信号可能会出现于开关输入的应用装置，或是使用者无法控制电源供应定序的场合非常的有用。在关闭状态下，高达16 V的信号位准会被阻断。此外，假如类比输入信号位准超过VDD达VT时，开关就会关闭。

图十 : ADG4612/ADG4613开关架构

图10中所示为该家族电源关闭保护架构的方块图。开关源极与吸极输入会持续的受到监测，并且与供电电压VDD和VSS做比较。在一般运作下，开关的表现会如同具有完整轨对轨运作的标准CMOS开关。然而，在源极或吸极输入超过供电达到临界电压的故障情况下，内部故障电路会感测到过电压状况并将开关设定至隔离模式。

ADI也有提供多工器与通道保护器，可以在电力（±15V）加诸于元件时容忍超过供电+40V/– 25V以上的过电压状况，而断电时则为+55V/–40V。这些元件乃是为了要处理因为断电状况所发生之故障而特别设计的。

图十一 : 高电压故障保护开关架构

这些元件是由N通道、P通道、以及串联的N通道MOSFET所组成，如图11中所示。当类比输入或输出的其中之一超越了电源供应时，MOSFET开关的其中之一就会关闭，而多工器输入（或是输出）会呈现为开放式电路，输出则会被限制在供应轨之内，进而避免过电压损坏任何多工器之后的电路。这可以保护多工器以及其所驱动之电路，还有驱动多工器的感测器或是信号源极。当电源供应中断（举例来说，因为取出电池或是供电故障）或是暂时断开（例如：机架系统）时，所有的电晶体都会关闭，而电流则会限制在次毫微安培的位准。 ADG 508F、ADG 509F、以及ADG 528F都包含有具备这类型功能的8：1与差动4：1多工器。

ADG 465单通道与ADG 467八重通道保护器具有与这些故障保护多工器相同的保护架构，但是没有开关功能。在通电状况下，通道会一直处于开启状态，一但发生故障事件时，输出则会被限制在供电电压以内。

(作者为ADI爱尔兰Limerick开关/多工器事业群应用工程师)