模拟开关断电保护功能实现更稳健系统设计

模拟开关可用于众多的应用系统中，包括手机、 PDA之类的便携式手持设备以及计算机、显示器之类的消费电子设备。无论应用中涉及的是音频、视频、USB 还是控制信号，系统设计人员经常都会碰到这样的情况：开关在未加电前其输入就已经出现非零信号。在输入信号过压的情况下，采用标准设计技术的模拟开关很容易在输入端上形成意外的假信号 (缺乏断电信号隔离措施) 和造成漏电流超标。由于开关在未加电时缺乏信号隔离措施，这种假信号会漏过开关，从而扰乱系统的数据采集或处理。而电流泄漏则是个更严重的问题，会导致设备失效和产品返修。为此，飞兆半导体为其最新的模拟开关产品开发了专门的断电保护 (Power-Off Protection) 电路，使模拟开关不但能够承受过压，而且能确保在断电时保证信号隔离。本文会阐述出现这类过压的一些常见应用情形，并详细讨论标准的模拟开关如何响应这个事件。最后，本文还将从数据信号通道和可靠性的角度，探讨这种断电保护功能如何克服这些设计挑战和实现系统保护。

断电保护功能的一个示例

在数种常见的情形下，都要求模拟开关在未加电时提供信号隔离功能。其中之一是系统的上电时序，除此之外，其它的应用情形如进行热插拔和瞬时信号阻断操作，以及系统出现故障时，也都需要断电保护。在系统上电时，一些系统功能必须比另一些先上电，这通常是因为要满足不同的电压要求，故需多条内部电源走线来实现。一般来说，要取得最好的开关性能，模拟开关应该用电平最高的电源走线。这就意味着使用较低VCC的部件 (如系统处理器) 会比旁边那些使用较高电压的模拟芯片先完成上电。

举例说，如果用模拟开关作控制数据选择路由，且通用输入/输出 (GPIO) 控制器比模拟开关先完成上电，那么该控制器就会在开关完成上电前向其输入送出一个信号。而模拟开关必须完成上电，才能确保按照控制输入进入正确的功能状态。对于标准的模拟开关来说，在加电未完成前，它不一定能正确处理输入端出现的正电平数据信号。系统设计人员通常都会意识到这种上电时序失配，并指望模拟开关此时能将输入与输出隔离。除非模拟开关设计了专门的电路来保障上电前的这种信号隔离，否则将会有信号漏过开关。漏过开关的信号会导致错误的逻辑状态，使得系统启动程序出错。漏过开关的信号甚至会同时出现在单刀双掷开关的两个输出引脚上，而不论输出有效引脚 (OE) 和选中引脚 (S) 处于什么状态。

当VCC引脚浮接或其电位几乎没被拉低时，开关输入信号 Vsw有可能给开关内部电路加电，从而使该信号漏过开关。图1就是这种情况的示例，图中VCC 节点电平为Vsw-0.8V。由于该内部节点被加电，开关将导通，让输入信号通过。在这种情况下，本来没被选中的输出上也可能出现正电压信号。

在使用模拟开关来抵御瞬态噪音或实现故障保护的应用中，开关常常放置在系统的外围，以便将内部元件与外界隔离。在用于故障保护的应用中，也期望开关能抵御长时间 (数毫秒) 的故障。当正电平输入电压持续时，如在发生故障或上电时序错误的情况下，这种电压也可能给模拟开关造成不可逆转的损坏。这种损坏源于从开关输入端流向开关 VCC引脚的过量电流。这个电流通道是开关与生俱来的寄生PMOS体效应二极管的结果，该二极管在输入电压大于VCC+ 0.5V 时就象一个正向偏置二极管。要导通这个二极管的确需要一个最小正向电压，一般认为在0.5V左右。这个有效二极管允许额外的电流经芯片流到VCC引脚。输入引脚的电压越高，电流就越大。电压与电流呈指数关系，且很容易用理想二极管的电压电流曲线表示出来。这样，芯片的最大电流很快便会被超过。一旦某一部件因过压而损坏，该部件通常会使过量漏电持续，即使在输入恢复正常状态后，也可能无法正常工作。图2 示出了数据输入引脚和前述VCC间的漏电流路

径。

采用具有断电保护功能的开关实现稳健的系统设计

具有断电保护功能的开关备有专门设计的电路，可防止意外的信号泄漏及保障过压情况下的系统可靠性。当VCC=0V时，开关将把输入信号与输出隔离开，而不论输出有效引脚或选通引脚处于什么状态；这样就可防止意外信号漏过开关。保护电路还可阻止电流从信号引脚到电源引脚的泄漏。当无电源供应时，开关输入端呈高阻态，因此能阻止寄生PMOS体效应二极管处于正向偏置。需要注意的是，除特殊情况外，断电保护通常只加在开关其中一端，而不必在两侧都加

保护。在第一代具有断电保护功能的开关上，保护是加在通用引脚上，因为其所在端口最容易出现过压。这意味着系统设计人员必需要仔细阅读技术说明，保证能正确配置开关，以实现所需的保护功能。

系统设计人员很可能希望知道，具有断电保护功能的开关在上电完成后输入信号仍然高于VCC的系统中的操作。例如，如果开关的电压VCC=2.8V，而Vsw = 3.6V；在这种情况下，具有断电保护功能的开关并不会保护过量的电流泄漏至VCC，因而一定要保证不会出现数据表中的最大额定值。在典型的开关中， Vsw比VCC 高 0.5V是可以接受的，但高于此值的电压就可能导致可靠性失效，因此应当避免。在前述例子中，VCC电源应当提升到等于开关输入信号的最大值；若无法实现，VCC也应当在0.5V的Vsw以内。单刀双掷 (SPDT) 开关将确保未选中的输出上不会出现图1所示的任何信号泄漏。，另一方面，选中的输出仍然能通过完整的输入信号。因此，如果在刚才所述的例子中，将VCC提高到3.3V，3.6V

的输入Vsw将通过被选中的输出。未来的具有断电保护功能的开关将进一步增加这个范围，容许开关输入信号幅度超过VCC，甚至独立于VCC电源的最高水平。与此同时，已经有简单的方案能解决这个问题。在开关VCC引脚和电源走线间串联一个100欧姆的电阻就可防止在过压情况下上电带来的

损害。在发生过压时，这个串联进来的100欧姆电阻能将回流到VCC线的电流限制在安全的范围内。最后，应当注意的是，就最大过压而言，数据表中的极限值无论在部件上电或断电时都是有效的。

结语

系统设计人员经常要面对诸如顺序上电、热插拔或系统故障等应用情形。在这些情形下，若系统采用标准模拟开关，其数据信号流甚至功能可靠性都可能受到影响。为了确保系统性能的稳健，飞兆半导体许多最新的模拟开关产品都添加了断电保护功能。FSUSB30是第一款添加了断电保护功能的产品，能抵御USB 技术规范中所描述未加电时的Vbus故障情况。飞兆半导体新的模拟开关还包括具备这种保护功能的USB开关和高性能音频开关。选择具有这种功能的模拟开关，设计人员就能保证系统在未完成加电前的过压环境下将会受到保护。