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100M网卡驱动芯片资料

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            size=3>多路复用器、开关及后续电路的保护</FONT> </DIV></TD></TR>
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                  <P><BR></P><FONT lang=ZH-CN face=宋体>
                  <P>　　作者：Maxim Integrated Products 
                  公司<BR>当高于电源电压的信号进入开关、复用器或信号线保护器时，常常会引发一系列故障。可以用分立元件防止电压过载造成损坏，然而，集成了故障保护功能的开关、复用器和信号线保护器更简单，也更实用。以下种情况常常会引起电压过载：过高电压的外部信号被引入接插件，该接插件又连接到开关、复用器或保护器的输入端；关掉电源，电源电压下降为零（此时，输入端的任何一个非零电压都有可能引发故障）；传感器或其它器件失效，导致其高压驱动电源直接短接至输出，并进入与其相连的开关、复用器或信号线保护器；多电源系统没有适当的上电和掉电顺序。本交介绍多路复用器、开关及其后续电路的各种保护方案。<BR>　　多路复用器的保护<BR>　　元件失效常常会导致故障电压，飞机液压系统就是一个很好的例子（图1）。在这样的系统中，由计算机控制的报警及座舱显示系统要对为数众多的压力传感器进行扫描。当某个传感器失效，会将整个28V机载电池电压短路至输出，这时，受到损害的将不仅仅是多路复用器，后续的告警及座舱显示电路也会受到损害。设计人员当然希望能够避免元件损坏，还希望飞行员仍能准确读出那些正常工作的传感器测得的压力，并获得告警电路发出的报警。此外，在告警电路和座舱显示电路失去电源的时候，其它加电电路必须能够正常读取压力。强调后面这种情况，不单是为了提高飞行的安全，同时也为了便于飞机的维护，在维护过程中，任何一部分电路的电源可任意关闭或打开，同时还能够准确读取测量结果。<BR>　　当电路或系统中的标准多路复用器施加了28V故障电压时，不但多路复用器本身会损坏，高电压还会穿过复用器进入系统内部。另外，如果故障出现在一个关闭通道时，产生的故障电流将注入复用器的衬底，使导通通道产生误差。而且，当一个复用器的电源被关掉后，它也成为传感器的负载。<BR>　　为解决上述问题，制造商提供了多种保护方案。一个常用的补救措施是在复用器的输入端串接电阻（图2）。这种方法将故障情况下流入复用器输入端保护二极管的电流限制在安全的电平。一般而言，每个输入引脚上有两个保护二极管，分别接在输入与正电源和输入与负电源之间。它们把输入电压限制在比正电源略高，或者比负电源略低的范围，比正电脑源高或者比负电源低的电压数值等于二极管本身的压降。这些二极管可以对ESD电压或者较高阻抗的过压起保护作用，但不能对低阻抗的连续过压起保护作用，除非另外串联了保护电阻。对于一个特定的多路复用器输入引脚，所能承受的最大额定连续电流取决于该引脚上保护二极管额定电流。可以从复用器数据手册给出的极限参数中找到这个数值。对于图2电路，在最坏情况下，当复用器的电源被关掉（为0V），同时，28V电源到达其上限36V时，流过保护二极管的电流最大。此时，3.9kΩ电阻器将电流限制于10mA以内。实际上，流过保护二极管的电流接近于这个数值的一半，因为在这个电路中，故障电流是由两个相互并联的二极管共同分担的。由于数据手册没有给出更多有关保护二极管的特性说明，设计时，只能假定它们匹配的很差，以至于所有电流都涌入其中某一个二极管。由此可推算出，采用3.9kΩ电阻时，当正电源为0V，输入故障电压36V，可将电流限制在10mA以下（假定其中一只并联二极管承担了所有电流）。<BR>　　这个方案也保护了后续电路，因为串联电阻保护了复用器输入端的保护二极管，而后者又将传送给后续电路的电压限制在电源电压以内。然而，在没有故障发生时，这种方案却不能防止某些错误的产生。例如，当某个复用器电源被关掉，它内部的保护二极管通过关掉的电源被连接到0V。这个二极管会通过3.9kΩ电阻吸取电流，这样就造成若干伏的误差电压。为解决这个问题，你可以增加保护电阻的数量，给每个复用器的输入都串入一个电阻。<BR>　　串联电阻的缺点<BR>　　图2电路中保护电阻增加了信号源的等效内阻，由于复用器的输入漏电，增加了误差电压。同时，如果故障发生于某一关断通道，流过复用器衬底的故障电流将给其它导通通道带来误差。这个误差电流降低了测量精度。这些电阻的使用也增加了电路的尺寸和阻抗，使其更容易受噪声的干扰。<BR>　　保护电阻还会带来另外两个问题，也会影响电路的性能，尽管对于本文所提及的特定应用影响并不大。首先，电路会损失一些带宽，不过这对于大多数应用来讲并无大碍。例如飞机液压系统仅工作在直流。假定每一输入具有大约3pF的输入电容和3.9kΩ电阻（不同于图2所示，其中两个通道共用一个电阻），每个通道的带宽将下降至约13MHz。其次，由于分压损失，这些电阻增加了测量误差。不过，在本应用中，仪表放大器的高输入阻抗将这种效应的影响降至可以忽略的水平。<BR>　　当一定数量的28V故障电压同时加在复用器的多个输入端时，通过连接到15V电源的保护二极管，故障电流有可能拉高电源电压。同样，负极性的故障电压可能会使-15V电源更低。图3所示电路针对这个问题以及衬底电流问题而设计，可同时对这两种故障提供保护。在这个电路中，电阻/二极管网络将复用器输入电压钳位到电源电压以下，限制了复用器输入电压，并消除了流过复用器保护二极管的电流。在复用器处于供电状态时，进入该电路的故障电压不会向衬底注入电流。这样，关断通道的故障不会影响导通通道。而且，由于没有电流通过保护二极管，故障电压不会通过这个途径影响电源电压。<BR>　　电路中采用低漏电的硅二极管作为钳位。应该避免使用肖特基二极管，因为它的漏电流会在3.9kΩ电阻上产生显著压降。然而，仅仅采用低漏电的硅二极管还不够。如果将这些二极管直接连到±15V电源，它们0.65V的正向压降已超出了复用器输入所允许的最大极限（通常为不超过电源电压0.3V）。于是，此电路采用了两个1N4105齐纳二极管，将硅二极管的钳位电压降低到了±11V。<BR>　　注意另有两个3.9kΩ电阻用来给齐纳二极管提供偏置。表面看起来给齐纳二极管的偏置似乎可以省掉，发生故障时依靠故障电压使其反向击穿即可。然而，如果不对这些齐纳管加以偏置，它们会带来另外一些问题，因为未加反向偏置的齐纳管会有一定的泄漏电流。如果泄漏电流流过电路，就会产生一个随着温度和齐纳管电压而变化的误差。<BR>　　采用钳位电路存在的主要问题是元件数量较多：10个3.9kΩ电阻、16个1N6099二极管和2个1N4105二极管。增加如此多的元件，会给线路板空间、成本、还有可靠性等带来问题。还有，如果关掉一个复用器上的电源，它就会成为其它复用器的负载。为此，你必须在每个复用器的输入端增加额外的电阻来应付这个问题。而且，与图2电路一样，3.9kΩ电阻增加了信号通路的阻抗，使系统更容易受噪声干扰。最后，在某些应用中，带宽限制问题和分压效应也会成为一个不可忽视的问题。<BR>　　具有保护功能的多路复用器减少外部元件<BR>　　除了给标准多路复用器增加保护元件外，还有另外一种方案是，采用故障保护型多路复用器。故障保护型多路复用器的操作和标准复用器相似，只是它无须添加外部保护元件，便可对故障电压提供保护。当这种器件的任何一路输入遭受故障电压袭击时，输入会变为高阻态，限制输入所能吸收的电流。保护电路同时还限制故障发生期间出现在复用器输出端的电压，防止对后续电路造成危害。与标准多路复用器不同的是：这种器件在没有电源时保证所有输入到输出都是一条高阻通道。这样，在多路复用器未加电时出现的故障电压也不会对复用器及后续电路造成损害。<BR>　　例如，如果在图1电路中采用差分四通道故障保护型多路复用器MAX379，在复用器未加电时，可以提供±75V的故障保护，当接通±15V电源时，多路复用器能够承受±60V的故障电压。采用故障保护型复用器的优点主要是：<BR>　　● 
                  失去电源时所有通道关闭。<BR>　　● 任何故障情况下仅允许纳安级的电流通过。<BR>　　● 
                  出现故障期间，输出信号被限制在低于电源电压3V以内。这样，过高的故障电压不能通过复用器而对后续电路造成损害。<BR>　　● 
                  较新的故障保护型复用器允许信号达到电源电压。<BR>　　● 无须串联保护电阻或钳位二极管。<BR>　　● 
                  无论器件作为复用器还是解复用器，保护功能均有效。<BR>　　● 
                  关断通道的故障不影响接通通道的精度<BR>　　MAX379的缺点在于导通电阻，在整个扩展工业级温度范围内最高可达4kΩ，另外它不能通过满电源摆幅的信号。采用±15V电源时，MAX379允许通过的最高信号幅度是13.5V，最低信号为-12V。MAX4508采用±15V供电时能够承受±25V的故障电压，导通电阻显著降低，并允许满电源摆幅的信号顺利通过。<BR>　　开关的故障保护<BR>　　当系统中有两个或更多的电源时，错误的上电顺序有可能给复用器、开关或其它元件造成故障电压。在图4中，两个传感器组件被连接到一个单刀双掷开关和一个ADC。如果15V和-15V电源在不同的时间接通，运放输出将饱和至首先接通的那一路电源电压，此时，尽管单刀双掷开关的±5V电源已经就绪，还是在其输入端出现了故障电压。如果±15V电源同时接通而±5V电源未通，同样会产生故障。<BR>　　复用器电路的故障保护技术同样适用于开关电路。与复用器一样，在开关的输入端串接电阻也可以为开关提供故障保护。然而，这些电阻会给同一封装中其它正常工作的开关带来误差。当有故障电压通过保护二极管、产生的故障电流注入衬底，这将给未发生故障的开关带来误差。此外，由于泄漏电流和分压效应，即使在正常工作状态下，这些串联电阻也会产生误差。<BR>　　当某个开关遭受故障侵袭时，产生的故障电流会通过开关进入后续电路，必须确保后续电路能够承受这个故障电流。就图4电路而言，这并不是一个问题，因为ADC具有相对较高的输入阻抗。但在某些电路中，开关的后续器件具有低输入阻抗，发生故障时有可能产生很高的故障电流。开关上的故障电压高于电源电压一个二极管压降，这个电压产生的故障电流基本上取决于开关的导通电阻。然而，当用一个运放驱动保护电阻和开关时，故障电流通常不会造成损害，因为多数运放输出电流的能力是有限的。事实上，在多数情况下，仅凭开关内的保护二极管，就能将运放输出的电压限制在不超出开关供电电压一个二极管压降的范围内。在此情况下，特别是当运放采用SC70封装时，需要仔细考虑它的功率耗散问题。<BR>　　不管电路中是否使用了保护电阻，在某个开关上发生的故障都会给其他未发生故障的开关造成误差。可以利用图3所示的保护结构避免这种误差。这种方案所需的元件数量同样令人望而却步，再加上成本、可靠性以及线路板上紧张的"土地资源"等都成为问题。还有，如果必须使用限流电阻，又将产生另外两个问题。先，这个电阻可能会使ADC取样电容充电的时间长得无法接受。如果ADC在取样电容尚未达到完全充电之前就开始采样，就会产生转换误差。其次，对于ADC输入来讲，采用低阻抗信号源更为有利，否则，ADC采样时所吸取的尖峰电流会造成电压误差。限流电阻与开关导通电阻两者之和有可能大到使这项误差不可忽视的程度。<BR>　　●最简单的办法是在电路中采用故障保护型单刀双掷开关，例如MAX4632。对于本例所涉及的故障情况，此开关是适合的，因为故障电压不超过±35V，这对于工作在±5V电源的开关来讲是可以承受的采用故障保护型开关的主要优点如下：<BR>　　移去电源时所有开关断开。<BR>　　任何故障情况下，仅有纳安级电流流过。<BR>　　● 
                  故障过程中，输出信号不超过电源电压。<BR>　　● 
                  这样，高电压不能通过开关，危及输出电路，而且，这些开关能够允许摆幅达到任何一端电源的信号通过。与之不同，第一代的故障保护开关只能允许动态范围略小一点的信号通过。<BR>　　● 
                  无需串接保护电阻或钳位二极管。<BR>　　● 
                  在同一IC内，其它开关上的故障不会影响无故障开关的精度。<BR>　　这些开关，还有新一代的多路复用器和信号线保护器，都允许满电源摆幅的信号通过它们同时还具有低导通电阻。例如，当采用±5V电源给MAX4632供电时，双单刀双掷开关的导通阻在室温下典型值为160 
                  Ω。这个数值在采用±15V电源时还可进一步降低到62　Ω。因此，前面所提到的取样电容充电不足、ADC输入尖峰电流等问题就不太突出了。<BR>所有第一代故障保护型开关、复用器和电路保护器均没有锁定问题。允许以任意顺序施加电源，而不必考虑锁定问题，也不必考虑在器件的任意引脚上是否已加有电压。事实上，许多工程师使用故障保护型开关和复用器并不是为了故障保护，而仅仅是为了防止锁定。然而，第二代器件不能允许在其输出引脚上有故障电压发生，因为这些引脚在内部被钳位到电源电压。这个特性一般来讲并无妨碍，因为大多数应用只要求在输入侧提供故障保护。还有，当此类复用器的电源被关掉时，如果有电压出现在某控制引脚上，复用器会将这个电压传递到输出端。输出电压幅度等于控制引脚上的电压减去一个二极管压降。此外，无论第一代还是第二代器件，当采用双极性电源供电时，如果两个电源没有同时接通，它们都会在上电期间的短时间内传递故障电压。然而，这些器件会将传递给输出的电压限制在低于任何一端电源电压的范围之内。即将推出的第三代器件将允许在所有引脚上出现故障电压，并在双极性电源没有同时上电时阻断所有故障电压。<BR>　　无切换开关的故障保护<BR>　　图5是一个基本的电路，它和图4相同，只是没有了开关。只有当运放能够输出足以危及到ADC保护二极管的电流时，才有必要考虑保护。当然可以考虑采用一个简单的电阻来限制输入到ADC保护二极管的电流，由于电阻可以限制输入到ADC的电流，因此它足以防止对二极管的损害。然而，前面已经提到，电阻的增加延长了给ADC取样电容充电所需的时间，会导致错误的转换结果。<BR>此时下，信号线保护器可以提供满足要求的保护(图5b)。信号线保护器也可用在需要故障保护的集成化多路复用器/ADC的输入端。这种器件提供了一个单纯的电路通道；它提供和故障保护型开关或复用器同类型的保护，但不切换信号。图5b中的MAX366含有三组电路保护器。采用±5V电源时，MAX366的导通电阻在信号电压为0V时典型为85 
                  Ω不过，在使用该器件时需特别注意，它的导通电阻在输入电压不为零时会增加，尤其是在输入电压向负端变化时。对于接近-2V的输入，导通电阻增加至150 
                  Ω，然而大约2.4V的输入才会导致相同的电阻。MAX4506引脚兼容于MAX366，具有平坦得多的导通电阻，但要求采用更高电压的双极性电源给它供电。</P>
                  <P align=center><IMG height=346 src="电源与管理.files/02100601.gif" 
                  width=332 border=0></P>
                  <P>　　图1　飞机液压系统可以说明故障保护的必要性。任何一个压力传感器的一次短路都会将28V直接导入多路复用器。</P>
                  <P align=center><IMG height=387 src="电源与管理.files/02100602.gif" 
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                  <P>　　图2　在压力传感器和多路复用器之间增加电阻可以提供故障保护，但给无故障的复用器通道带来了误差。</P>
                  <P align=center><IMG height=378 src="电源与管理.files/02100603.gif" 
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                  <P>　　图3　该保护电路可防止复用器内的保护二极管在故障期间导通，避免给未发生故障的通道带来误差。</P>
                  <P align=center><IMG height=321 src="电源与管理.files/02100604.gif" 
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                  <P>　　图4　当采用多个电源为两个组件供电时，不恰当的供电顺序会导致故障电压。</P>
                  <P align=center><IMG height=321 src="电源与管理.files/02100604.gif" 
                  width=336 border=0></P>
                  <P>　　图5　电源顺序问题同样会给不含开关和复用器的电路造成故障电压(a)。信号线保护器可以为这些独立的信号线提供最优的故障保护(b)。</P>
                  <P align=center><IMG height=314 src="电源与管理.files/02100605.gif" 
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      Elsevier, Inc</FONT></A></FONT></EM></SPAN> 
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