鉅大LARGE | 點擊量：1023次 | 2019年12月27日
惡劣工作環境中的開關和多路復用器 設計考慮
簡介
汽車、特種和特種電子應用中的惡劣工作環境對集成電路的技術要求極端苛刻，電路必須能夠承受高電壓和電流、極端溫度和濕度、振動、輻射以及各種其他應力。為了提供安全、娛樂、遠程信息處理、控制和人機界面等應用領域所需的特性和功能，系統工程師迅速采用高性能電子器件。隨著精密電子器件的使用日益增加，系統也變得越來越復雜，而且更易受到電子干擾，其中包括過壓、閂鎖狀況和靜電放電（ESD）事件。這些應用中采用的電子電路需要具有高可靠性和對系統故障的高耐受性，因此設計人員在選擇器件時必須考慮到環境因素和器件自身限制。
此外，每個集成電路都有制造商規定的一些絕對最大額定值；設計時必須留意這些額定值，才能確保性能可靠且達到公布的技術規格。一旦超過這些絕對最大額定值，則無法保證工作參數；甚至可能導致內置ESD、過壓或閂鎖保護失效，從而導致器件（并有可能更進一步）損壞或出現故障。
本文描述了工程師在將模擬開關和多路復用器設計到惡劣環境下所用模塊中時面臨的挑戰，并提供了一些一般解決方案建議，以供電路設計人員用來保護容易損壞的器件。另外，文中介紹了一些新款集成開關和多路復用器，這些器件在過壓保護、防閂鎖特性和故障保護上均有所改善，能夠處理常見應力狀況。
標準模擬開關架構
要完全弄清楚模擬開關上故障狀況造成的影響，首先必須查看其內部結構和工作極限。
標準CMOS開關（圖1）采用N和P溝道MOSFET作為開關元件、數字控制邏輯和驅動器電路。N和P溝道MOSFET以并聯方式相連，允許進行雙向操作，并將模擬輸入電壓范圍可以擴展到供電軌，同時在整個信號范圍內使導通電阻保持相當恒定。
信號源、漏極和邏輯控制端對正負源電壓都設計有箝位二極管以提供ESD保護，如圖1所示。在正常工作模式下，這些二極管反向偏置，因此除非信號超過電源電壓，否則不會通過電流。這些二極管的尺寸因工藝而異，不過一般都采用小型設計，以盡量減少正常工作時的漏電流。
模擬開關的控制方式如下：當柵極-源極電壓為正值時，N溝道器件導通，而當該電壓為負值時則關斷；P溝道器件由互補信號進行切換，因此與N溝道器件同時接通。開關的接通與斷開是通過在兩個柵極上分別施加正負源電壓來實現的。
當柵極上的電壓固定時，兩個晶體管的有效驅動電壓隨著通過開關的模擬信號極性和幅度變化而呈比例變化。圖2中的虛線表示，當輸入信號接近電源電壓時，總有一個器件的溝道開始飽和，從而造成該器件的導通電阻急劇增加。不過，并聯器件在供電軌電壓附近相互補償，因此最終得到的是完全的軌到軌開關，并且導通電阻在信號范圍內保持相對恒定。
絕對最大額定值
設計時應當注意器件數據手冊中規定的開關功率要求，這樣才能保證性能、操作和壽命均達到最佳。不幸的是，實際操作過程中存在電源故障、惡劣環境中的電壓瞬變和系統或用戶故障，因而不可能始終達到數據手冊的要求。
只要模擬開關的輸入電壓超過電源電壓，即使電源已關閉，內置ESD保護二極管變成正向偏置，允許流過大電流，這樣即會超過那些額定值。正向偏置時，這些二極管導通電流并不只局限于幾十毫安，一旦不對這個正向電流加以限制，就可能會造成器件損壞。更為嚴重的是，故障導致的損壞并不限于開關，也可能影響到下游電路。
數據手冊的絕對最大額定值部分（圖3）描述了器件可以耐受的最大應力條件；請務必注意，這些只是額定最值。長期在絕對最大額定值條件下工作會影響器件的可靠性。設計人員應當始終遵循良好的工程實踐做法，在設計中保留余量。此處示例摘自標準開關/多路復用器數據手冊。
本例中，VDD至VSS參數的額定值為18V。該額定值取決于開關的制造工藝和設計架構。所有高于18V的電壓都必須與該開關完全隔離開來，否則將會超過與該工藝相關的元件本征擊穿電壓，而這可能會損壞器件并導致工作不可靠。
無論是否施加電源，模擬開關輸入端的電壓上限通常都取決于ESD保護電路，該電路可能會因發生故障情況而失效。
模擬輸入電壓極值以超出VDD和VSS0.3V為限，而數字輸入電壓極值以超出VDD和GND0.3V為限。當模擬輸入超過電源電壓時，內置ESD保護二極管變為正偏并開始導通。如絕對最大額定值部分所述，IN、S或D上的過壓由內部二極管箝位。雖然30mA以上的電流可以通過內部二極管且不會產生明顯影響，但是器件可靠性和壽命可能會有所下降，且隨著時間推移可能會出現電子遷移效應（即導線上金屬原子逐漸發生移動）。當強電流流過金屬路徑時，移動中的電子與導線上的金屬原子之間會產生相互作用，迫使金屬原子隨著電子移動而移動。隨著時間的推移，這可能會導致開路或短路。
在將開關設計到系統中時，需要考慮到系統中因器件故障、用戶錯誤或環境影響而可能出現的各種潛在故障，這點非常重要。下一節將討論超過標準模擬開關絕對最大額定值的故障狀況是如何損壞開關或導致其工作不正常的。
常見故障狀況、系統應力和保護方法
故障狀況的出現原因各不相同；表1中列出了一些最為常見的系統應力及其實際來源：
有些應力可能無法避免。無論應力的來源是什么，更為重要的是如何處理其產生的影響。下文問答環節涵蓋了過壓、閂鎖和ESD事件三種故障狀況并提供了一些常見的保護方法。
