汽车、军事、以及航空电子应用装置所处的严苛环境将积体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元件，借以在安全、娱乐、远程通信、控制与人机介面等应用领域当中提供各种特点与功能。精密电​​子元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量环境以及他们所挑选的这些元件的限制。

除此之外，生产厂商针对每一种积体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。

本文将会介绍在把类比开关与多工器设计成使用于严苛环境中之模组时，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工器，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。

标准类比开关架构

为了要完整的了解在类比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通道MOSFET做为开关的元件、数位控制逻辑、以及驱动器电路。以并联方式连结N与P通道MOSFET可以实现双向作业，让类比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钳位二极体（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，二极体不会有电流通过，除非信号超过了供电电压。二极体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。

类比开关的控制方式如下：N通道元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通道元件会透过互补信号加以切换，因此它会随N通道元件同时开启。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，任一组电晶体的有效驱动电压会随着通过开关的类比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，某个元件或是其它元件的通道就会开始饱和，进而造成该元件的导通电阻激增。然而并联元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

在元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最佳化的性能、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、严苛环境中的电压暂态、以及系统或是使用者的故障，都会使其难以一直符合技术手册中的建议。

每当类比开关输入电压超过了供电电压时，内部ESD保护二极体就会转成正向偏压，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，二极体无法通过大于数十毫安培的电流；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）代表着该元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元件的可靠度。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/多工器技术手册。

选用正确的开关元件

当开关或是多工器输入来自于远端设置的源极时，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，或是热插拔为必要项目而发生。在严苛的电气环境当中，因为不良的连结或是电感式耦合所形成的暂态电压，假如没有加以保护的话可能会对元件造成损害。

故障可能会因为电源连结中断，但开关输入却仍然接收到类比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。

由于类比开关与多工器往往是一个模组中最有可能发生故障的电子元件，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/多工器产品，像是本文中所提到的元件，让设计者可以省去外部的保护电路、减少电路板设计中的元件数量与成本。具有高通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使用者的满意度。

(作者为ADI爱尔兰Limerick开关/多工器事业群应用工程师)

---本篇完整文章刊载于CTIMES.com---

Link: http://www.ctimes.com.tw/art/articleindex.asp