什麼是過電壓狀況？

過電壓狀況會在類比或數位輸入狀況超過了絕對最大額定值的時候發生。以下三種例子可以凸顯出設計者在使用類比開關時必須要加以考量的常見問題。

信號出現在類比輸入的當中，但是電力中斷（如圖5）

在某些應用裝置當中，雖然來自於遠端位置的輸入信號仍然有出現，但是對某個模組的電源供應卻已經中斷了。當電力中斷時，電源供應軌會走向接地；或者一或多組可能會浮動。假如供電走向接地，那麼輸入信號就可以將內部二極體轉成正向偏壓，而來自於開關輸入的電流就會流向接地(假如電流沒有受到限制的話就會損害二極體)。

圖五 : 　故障路徑

假如電力中斷會導致供電浮動，那麼輸入信號就可以透過內部二極體對零件供電。如此一來，開關以及可能是任何利用其VDD供電運作的其它元件都可以獲得通電。

在類比輸入中的過電壓情況

當類比信號超過了電源供應（VDD與VSS）時，供電可能會被拉到故障信號的二極體位降以內。內部二極體會轉變成正向偏壓，而電流的流動會從輸入信號流向供電。過電壓信號也可以通過開關並對下游元件造成損害。關於這點的說明可以透過對P通道FET的考量而加以瞭解（圖6）。

圖六 : 　FET開關

P通道FET需要閘極對源極的負電壓以便使其開啟。隨著開關閘極等於VDD，閘極對源極電壓會轉為正電，因此開關就會關閉。在無供電的電路當中，當開關閘極為0 V或是輸入信號超過VDD時，信號將會通過開關─因為現在的閘極對源極是負電壓。

雙極信號應用於以單一供電的開關

這個情況類似於先前所提到的過電壓情況。故障會在輸入信號走向接地時發生，此將導致從類比輸入到接地的二極體轉為正向偏壓，而電流就會流動。當一組ac信號(偏壓至0 V dc)被套用在開關輸入時，寄生二極體可以針對輸入波形之負半週期的某些部份而予以正向偏壓。假如輸入正弦波降至大約- 0.6 V以下時這種情況就會發生，進而開啟二極體並將輸入信號予以削波，如圖7中所示。

圖七 : 　削波

處理過電壓狀況的最佳方法為何？

以上的三種範例都是類比輸入超過供電─VDD、VSS、或是GND的結果。要對抗這些狀況的簡單保護方法包括有對供電增加外部電阻、蕭特基二極體，以及在供電上增加阻斷二極體等。

用以限制電流的電阻以串聯的方式與任何會接觸到外部源極的開關通道設置在一起（圖8）。電阻值必須要夠高才能夠將電流限制在大約30 mA左右（或是如同絕對最大額定值所設定）。其明顯的缺點就是每個通道RON、ΔRON、以及最終的總體系統故障的升高。此外，對於使用多工器的應用裝置而言，在關閉通道源極上的故障可能會出現在吸極，進而造成其它通道的故障。

圖八 : 　電阻二極體保護網路

從類比輸入連結至供電的蕭特基二極體會提供保護功能，但是其代價就是漏電與電容。二極體會避免使輸入信號超過供電電壓0.3 V至0.4 V，確保內部二極體不會轉成正向偏壓，而電流就不會流動。透過蕭特基二極體轉移電流可以保護元件，但是必須要注意不能對外部元件過度施壓。

第三種保護的方法是將阻斷二極體與供電以串聯方式設置（圖9），藉以阻斷電流流經內部二極體。在輸入上的故障會使供電浮動，而大部分的正與負輸入信號會轉變成供電。只要供電不超過處理程序的絕對最大額定值，該元件就能夠容許其故障。這種方法的缺點就是類比信號範圍會因為供電上的二極體而縮減。此外，加諸於輸入上的信號也會通過元件並影響下游電路。

圖九 : 　與供電串聯的阻斷二極體

雖然這些保護方法都有其優點與缺點，但是它們都需要外部元件、額外的電路板空間、以及更多的成本。這點在具有高通道數量的應用裝置中會特別的明顯。為了要消除外部保護電路的需求，設計者應該要找到可以容許這些故障的整合式保護解決方案。ADI提供許多具有能夠對抗斷電、過電壓、以及負信號之整合式保護功能的開關/多工器家族。

目前有提供什麼樣的預封裝解決方案？

來自於ADI的ADG 4612以及ADG 4613具有低導通電阻與失真度，使它們很適合使用於需要高精確度的資料蒐集系統。導通電阻的數據圖表在整個類比輸入範圍中非常的平坦，可以確保有傑出的線性度與低失真度。

ADG 4612家族提供斷電保護、過電壓保護、以及負信號處理等功能，而這些都是所有標準CMOS開關所無法處理的狀況。

當沒有電源供應出現時，開關會維持在關閉的狀態。開關輸入會呈現高阻抗，進而將可能會導致開關或下游電路損壞的電流流動加以限制住。這點對於在電源開啟前類比信號可能會出現於開關輸入的應用裝置，或是使用者無法控制電源供應定序的場合非常的有用。在關閉狀態下，高達16 V的信號位準會被阻斷。此外，假如類比輸入信號位準超過VDD達VT時，開關就會關閉。

圖十 : 　ADG4612/ADG4613開關架構

圖10中所示為該家族電源關閉保護架構的方塊圖。開關源極與吸極輸入會持續的受到監測，並且與供電電壓VDD和VSS做比較。在一般運作下，開關的表現會如同具有完整軌對軌運作的標準CMOS開關。然而，在源極或吸極輸入超過供電達到臨界電壓的故障情況下，內部故障電路會感測到過電壓狀況並將開關設定至隔離模式。

ADI也有提供多工器與通道保護器，可以在電力（±15V）加諸於元件時容忍超過供電+40V/– 25V以上的過電壓狀況，而斷電時則為+55V/–40V。這些元件乃是為了要處理因為斷電狀況所發生之故障而特別設計的。

圖十一 : 　高電壓故障保護開關架構

這些元件是由N通道、P通道、以及串聯的N通道MOSFET所組成，如圖11中所示。當類比輸入或輸出的其中之一超越了電源供應時，MOSFET開關的其中之一就會關閉，而多工器輸入（或是輸出）會呈現為開放式電路，輸出則會被限制在供應軌之內，進而避免過電壓損壞任何多工器之後的電路。這可以保護多工器以及其所驅動之電路，還有驅動多工器的感測器或是信號源極。當電源供應中斷（舉例來說，因為取出電池或是供電故障）或是暫時斷開（例如：機架系統）時，所有的電晶體都會關閉，而電流則會限制在次毫微安培的位準。ADG 508F、ADG 509F、以及ADG 528F都包含有具備這類型功能的8：1與差動4：1多工器。

ADG 465單通道與ADG 467八重通道保護器具有與這些故障保護多工器相同的保護架構，但是沒有開關功能。在通電狀況下，通道會一直處於開啟狀態，一但發生故障事件時，輸出則會被限制在供電電壓以內。

（作者為ADI愛爾蘭Limrick開關/多工器事業群應用工程師）