新型故障保护模拟开关
MAXIM北京办事处栾成强
系统在上电或掉电时，信号端与电源端常常出现过压现象，传统的解决方案是在外部加限流电阻、或控制上电时序。

尽管这是一种合理的方案，但实现起来比较困难。

一旦失误可能会引起过流，损坏器件。

一种新的解决方案是在片内集成故障检测电路，检测到故障时关断开关，保护后续电路不受故障影响，通过严格限制故障电流，能够避免功率耗散引起的过热现象。

典型的CMOS模拟开关输出级是一个P型场效应管（P1）和
一个N型场效应管（N1）相并联，这种互补结构可以实现满摆
幅输出（图1）。

内部电路倒相后分别驱动P1和N1的栅极（P1
是-15V时，N1是+15V，或反之）。

当输入信号电压超过场效应
门限电压，模拟开关导通，将导致输出端出现故障，例
管的V
GS
如电源电压是±15V输入+25时，P1场效应管内的寄生二极管
被正向偏置，处在导通状态。

输入-25V时，N1场效应管具有相
同的问题。

如果P1、N1的栅极没有加电源电压（P1和N1的栅
的信号
极电压为0V），那么，开关输入端出现任何幅度超过V
GS
电压，开关将被接通。

故障信号使内部寄生二极管正向导通，
导致大电流损坏器件或锁闭N1或P1。

采用图2所示的N1—P1—N2的串联结构可以解决这类问
题。

同样内部驱动需要倒相，开关接通时，P1的
栅极为-15V，N1和N2的栅极为+15V，（关断开关
时相反）。

故障信号不可能通过这种串联开关而损
坏器件，所以能够解决并联开关所面临的问题。

串联结构的缺陷是导通电阻大，芯片尺寸也较大，
使信号处理能力下降。

对于±15V的电源，输入信
号电压的范围在场效应管门限之间（大约±13V）。

因此尽管这种电路结构可以保护芯片，但其导通电
阻和信号处理能力变差。

图3所示的新型故障保护结构包含与图1类
似的并联开关场放应管（N1和P1），每个场效应管配备一个检测电路，输出箝位电路为某些应用提供方便。

该电路能够保护过压引起的故障和电路损坏。

为便于理解电路的工作原理，假设输入信号为+25V或-25V，输入-25V时，上端检测开关（-25V与-15电源电压比较）将输入短接到N1的栅极，N1的源极是-25V，所以N1关断。

同时上端比较器导致N沟道驱动器浮空，N沟道驱动器与P沟道驱动器相连使P1也关断，由于电路中开关断开，输入端不存在正向偏置二极管的电流通路，所以信号出现故障时，仅有泄漏电流存在。

上端比较器在出现故障时打开N2，N2通过内部电阻将输出端箝位到-15V，电阻值随不同的产品而变化（一般为1000欧）,箝位电路为A/D转换器的应用提供了方便。

+25V输入时，P1-P3的工作情况如同N1-N3，检测到故障时关断N1/P1，输入端仅有漏电流存在，P2通过内部大约1000欧的电阻把输出箝位在+15V。

由此可见，图3结构结合了图1和图2的优点（图1是低导通电阻和满摆幅信号处理能力，图2是故障保护），能够保护通过开关耦合的故障，消除功率过大引起的损坏。

当电源电压关断而有信号电压时，新器件同样提供信号线过压保护，输入信号为-25V时，
=0V关断N1。

比较器、N沟道驱动器、箝位N3检测开关将输入短路到N1的栅极，通过V
GS
电路没有电源，输出为0V。

P1的源极是-25V，栅极是0V，也是完全关断。

所以输入端仅有
漏电流存在。

+25V输入时，P3检
测开关将输入短路到P1的栅极，P1
=0V，P1和N1都没有被加载，
的V
GS
所以信号不能耦合到输出，由于输
入端仅有漏电流，所以不会出现过
热损坏器件，输出电压为0V。

图3
的开关设计不管是单电源、双电
源、或者是不对称的双电源都能够
实现故障保护，且对上电时序没有
要求。

这种故障保护结构已经用于
“线路保护器”、模拟开关和多路
复用器中，图3电路所示的线路保
护器很简单，每个封装内可提供一
路、三路或八路保护器，对于输入
信号来讲，它相当于一个65欧的
电阻，检测到故障时开关关断，与
负载隔离，在输入端仅有漏电流存
在，线路保护器对运放，A/D转换
器，采样保持器和其它电路非常有
用。

输出箝位电路只有在发生故障
时才工作，如果开关关断（一般是通过数字输入到N和P沟道驱动器），它的输出通过负载电阻可以“观察”负载参考点（地），如果开关开启，正极或负极故障导致一个箝位电路连到相应极性的电源上。

图4是一线路保护器的典型应用，IC1为八通道线路保护器，IC2为不带故障保护的八
通道多路复用器，IC1的输
出箝位电路保证IC2的输入
不超过电源最大值（±
15V），即使线路保护器的输
入端上升到±40V（一个输
入端+40V，另一个输入端-
40V）情况也是如此，IC1在
没有电源或瞬间掉电时，仍
能提供±40V的过压保护。

图5所示的单片IC可以实
现图4电路的保护功能。

虽然图4和图5包含基
本相同的电路，但电路特性
有所差异，因为图4的两个
器件串型联接，两个器件将
分担MAX4507输入端的过压
影响，而图5中的MAX4508则必须自己承受过压的影响，所以其过压保护范围减少了。

为
了加深理解，我们对最严重的故障做一考察，不同极性
的±40V过压同时加到图4的IN1和IN2，如果通道1开启（短路到共公端）并且加上+40V，它的输出（OUT1）箝位在+15V，所以IC1两端的压差是40-15=25V，由于IC1的导通电阻远小于负载电阻，IC1的压差很小，公共输出电压是+15V。

通道2的输入是-40V，输出（OUT2）是-15V，IC1的压差是-40-（-15）=-25V，通道关断情况下，IC1的压差（从NO2到COM）是-15V到15V，也就是30V，整个压差是-40到15V等于55V，其中IC1的压差为25V，IC2的压差为30V。

同样的情况下，对于图5所示电路，MAX4508的压差是55V，超过了器件所要求的最大值40V，所以在电源是±15V时图5只能处理±25V的故障，而图4能够处理±40V的故障，没有电源时两个电路都能处理±40V的故障。