Sustitución de los componentes discretos de protección por interruptores analógicos de protección contra sobretensiones y fallos

Resumen

El reto de diseñar circuitos electrónicos robustos suele dar lugar a un diseño con multitud de componentes de protección discretos, con el consiguiente coste, tiempo de diseño y espacio adicionales. Este artículo trata de la arquitectura de los conmutadores protegidos contra fallos y de las ventajas de rendimiento y de otro tipo que ofrece frente a las soluciones tradicionales de protección discreta. Se trata de una nueva arquitectura de interruptores y un proceso propio de alta tensión que proporciona una protección contra fallos líder en la industria y el rendimiento necesario para las cadenas de señales de precisión. La nueva gama de conmutadores y multiplexores protegidos contra fallos de ADI (ADG52xxF y ADG54xxF) utiliza esta tecnología.

La protección de las entradas analógicas de las cadenas de señales de alto rendimiento suele ser un tema delicado para los diseñadores de sistemas. Suele haber una importante compensación entre el rendimiento analógico (como la fuga y la resistencia a la conexión) y el nivel de protección que pueden ofrecer los componentes discretos.

Sustituir los componentes discretos de protección por conmutadores y multiplexores protegidos contra sobretensiones puede ofrecer importantes ventajas en cuanto a rendimiento analógico, robustez y tamaño de la solución. El componente protegido contra sobretensiones se sitúa entre los circuitos sensibles posteriores y la entrada que está expuesta a tensiones externas. Un ejemplo de ello sería el terminal de entrada del sensor en una cadena de señales de control de procesos.

Este artículo detalla los problemas causados por los eventos de sobretensión, analiza las soluciones tradicionales de protección discreta y sus inconvenientes asociados, presenta la solución que ofrecen los interruptores analógicos protegidos contra sobretensiones, incluyendo las características y ventajas del sistema, y finalmente presenta la gama de interruptores analógicos protegidos contra fallos de ADI, líder en el sector.

Problemas de sobrecarga - Volver a lo básico

Cuando la señal de entrada a un conmutador supera las fuentes de alimentación (VDD o VSS) por más de una caída de diodo, los diodos de protección ESD del CI se ponen en polarización hacia delante y la corriente fluye desde la señal de entrada a las fuentes de alimentación, como se muestra en la figura 1. Esta corriente puede dañar la pieza y puede desencadenar un evento de latch-up si la corriente no está limitada.

Figura 1: Trayectoria de la corriente de choque.

Si el conmutador no está alimentado, pueden producirse varias situaciones:

  1. Si las fuentes de alimentación son flotantes, la señal de entrada podría acabar alimentando la VDD a través de los diodos ESD. En este caso, el VDD sube a una caída de diodo de la señal de entrada. Esto significa que el interruptor estará realmente alimentado, al igual que los demás componentes que utilizan el mismo VDD de la barandilla. Esto podría llevar a un funcionamiento desconocido e incontrolado de los dispositivos de la cadena de señales.
  2. Si las fuentes de alimentación están conectadas a tierra, el dispositivo PMOS se encenderá con una VGS por tanto, el conmutador enviará una señal recortada a la salida, lo que podría dañar los componentes posteriores que tampoco recibirían alimentación (véase la figura 2). Nota: Si hay diodos en la alimentación, estarán polarizados hacia delante y cortarán la señal a +0,7V.

Figura 2. Señal de sobretensión con la fuente de alimentación conectada a tierra.

Solución de protección discreta

Los diseñadores suelen resolver los problemas de protección de entrada con componentes de protección discretos.

Se utilizan grandes resistencias en serie para limitar la corriente durante un fallo, y los diodos Schottky o Zener en los carriles de alimentación bloquean cualquier señal de sobretensión. En la figura 3 se muestra un ejemplo de este esquema de protección en una cadena de señales multiplexadas.

Figura 3: Solución de protección discreta.

Sin embargo, el uso de estos componentes discretos de protección tiene muchos inconvenientes.

  1. La resistencia en serie aumentará el tiempo de asentamiento del multiplexor y ralentizará el tiempo de asentamiento global.
  2. Los diodos de protección introducirán una corriente de fuga adicional y una capacitancia variable que afectará a la precisión y la linealidad de la medición.
  3. No habrá protección en caso de alimentación flotante, ya que los diodos ESD de las fuentes de alimentación no proporcionarán ninguna protección de sujeción.

Arquitectura de conmutación tradicional

El diagrama de la Figura 4 ofrece una visión general de la arquitectura de un conmutador tradicional. El componente del interruptor (en la parte derecha de la figura 4) tiene diodos ESD en cada uno de los carriles de alimentación, tanto en el lado de entrada como en el de salida del elemento interruptor. También se muestran aquí los componentes de protección discretos externos: la resistencia en serie para limitar la corriente y los diodos Schottky de las fuentes de alimentación para el bloqueo por sobretensión. A menudo es necesario utilizar un TVS bidireccional para obtener una protección adicional en entornos más exigentes.

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Figura 4. Arquitectura de conmutación tradicional con protección externa discreta.

Arquitectura de conmutación protegida contra fallos

La arquitectura del conmutador protegido contra fallos se muestra en la Figura 5. Los diodos ESD del lado de entrada se sustituyen por una célula ESD bidireccional, de modo que el rango de tensión de entrada ya no está limitado por los diodos ESD de los carriles de alimentación. Como resultado, la entrada puede recibir tensiones hasta el límite del proceso (que es de ±55 V para los nuevos interruptores ADI protegidos contra fallos).

Figura 5. Arquitectura de conmutación protegida contra fallos.

Los diodos ESD permanecen en el lado de salida en la mayoría de los casos, ya que generalmente no es necesaria la protección contra sobretensiones en el lado de salida.

La célula ESD del lado de entrada puede seguir proporcionando una excelente protección ESD. El interruptor SPST cuádruple protegido contra sobretensiones ADG5412F que utiliza este tipo de célula ESD alcanza un valor de ESD HBM de 5,5 kV.

Aún así, puede ser necesario utilizar un TVS externo o una resistencia limitadora de corriente más pequeña para casos más estrictos, como la protección IEC ESD (IEC 61000-4-2), EFT o de sobretensión.

En caso de una condición de sobretensión en una de las entradas del interruptor, el canal afectado se apaga y la entrada pasa a alta impedancia. Las fugas se mantienen bajas en los demás canales, de modo que éstos pueden seguir funcionando normalmente con un impacto mínimo en el rendimiento. Esto permite que haya muy poca compensación entre la velocidad/rendimiento del sistema y la protección contra sobretensiones.

Por lo tanto, el conmutador protegido contra sobretensiones puede simplificar mucho la solución de la cadena de señales. La protección contra sobretensiones del interruptor elimina la necesidad de resistencias limitadoras de corriente y diodos Schottky en muchos casos. El rendimiento global del sistema ya no está limitado por los componentes discretos externos que suelen introducir fugas y distorsiones en una cadena de señales.

Características del Interruptor de Protección contra Fallos ADI

La nueva gama de interruptores protegidos contra fallos de ADI está construida con un proceso propio de alta tensión que proporciona una protección contra sobretensiones de hasta ±55V tanto en estado alimentado como no alimentado. Estas piezas ofrecen un rendimiento de vanguardia en interruptores protegidos contra fallos para cadenas de señales de precisión.

Inmunidad al enclavamiento

El proceso patentado de alta tensión también está aislado de la zanja. Se coloca una capa de óxido aislante entre los transistores NDMOS y PDMOS de cada interruptor. Se eliminan las uniones parásitas que se producen entre los transistores de los interruptores aislados en zanja, y el resultado es un interruptor inmune al latch-up en cualquier circunstancia. El ADG5412F, por ejemplo, supera una prueba de latch-up JESD78D de ±500mA con un ancho de pulso de 1 segundo, que es la prueba más rigurosa de la especificación.

Figura 6. Proceso de aislamiento de la zanja.

Rendimiento analógico

Además de conseguir una robustez líder en el sector (protección contra sobretensiones, alta calificación ESD, estado de encendido conocido sin entradas digitales), los nuevos interruptores ADI protegidos contra fallos también tienen un rendimiento analógico líder en el sector. Como siempre, el rendimiento del interruptor es un compromiso entre una baja resistencia de encendido y una baja capacitancia/inyección de carga. La elección del interruptor depende generalmente de si la carga es de alta o baja impedancia.

Sistemas de baja impedancia

Las piezas de baja resistencia a la conexión se suelen utilizar en sistemas de baja impedancia, donde la resistencia a la conexión del interruptor debe ser mínima. En sistemas de baja impedancia, como una fuente de alimentación o una etapa de ganancia, la resistencia de encendido y la impedancia de la fuente en paralelo con la carga pueden provocar errores de ganancia. Aunque los errores de ganancia pueden eliminarse mediante la calibración en muchos casos, la variación de la resistencia de entrada (REN) en el rango de la señal o entre los canales produce una distorsión que no se puede calibrar. Por lo tanto, los circuitos de baja resistencia son más propensos a errores de distorsión debido a REN planicidad y REN variación entre canales.

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El gráfico de la Figura 7 muestra la resistencia a la conexión de uno de los nuevos interruptores protegidos contra fallos en todo el rango de señales. Además de conseguir una resistencia de encendido muy baja, la REN la latencia y la adaptación de los canales también son excelentes. Las piezas tienen un diseño de controlador de conmutación patentado que garantiza una VGS y proporciona una tensión plana REN rendimiento en todo el rango de tensión de entrada. La contrapartida es un rango de señal ligeramente reducido en el que se puede conseguir un rendimiento óptimo, lo que se observa en la forma de la REN parcelas. Puede haber beneficios significativos para el sistema de esta REN rendimiento en aplicaciones sensibles a REN variación o THD.

Figura 7. Resistencia del interruptor protegida contra fallos.

El ADG5404F es el nuevo multiplexor inmune al latch-up y protegido contra sobretensiones. Las piezas protegidas contra enganches y sobretensiones suelen tener una mayor resistencia a la conexión y una menor planitud de la misma que las piezas estándar. Sin embargo, debido al valor constante de VGS utilizado en el diseño del ADG5404F, el REN la planicidad es incluso mejor que la del ADG1404 (baja resistencia de encendido líder en la industria) y la del ADG5404 (inmune al latch-up, pero sin protección contra la sobretensión). En muchas aplicaciones, como las mediciones de temperatura de los RTD, el REN en realidad, la planitud es más importante que el valor absoluto de la resistencia de encendido. Por lo tanto, el interruptor protegido contra fallos ofrece la posibilidad de aumentar el rendimiento de estos sistemas.

El modo de fallo típico de un sistema de baja impedancia es que la salida de drenaje pase a circuito abierto en caso de fallo.

Sistemas de alta impedancia

Los interruptores de baja fuga, baja capacitancia y baja inyección de carga se utilizan con mayor frecuencia en sistemas de alta impedancia. Los sistemas de adquisición de datos suelen ser de alta impedancia debido a las cargas de los amplificadores en la salida del multiplexor.

  • Las fugas son la principal fuente de error en los circuitos de alta impedancia. Cualquier corriente de fuga puede provocar errores de medición importantes.
  • La baja capacitancia y la baja inyección de carga también son esenciales para un asentamiento más rápido. Esto permite el máximo rendimiento de datos en un sistema de adquisición de datos.

El rendimiento de las fugas de los nuevos interruptores ADI protegidos contra fallos es excelente. En funcionamiento normal, la corriente de fuga está en el rango de los nA bajos, lo que es esencial para realizar mediciones precisas en muchas aplicaciones.

Es esencial señalar que el rendimiento de las fugas también es muy bueno incluso cuando falla uno de los canales de entrada. Esto significa que las mediciones pueden continuar en otros canales hasta que se repare el fallo, reduciendo así el tiempo de inactividad del sistema. La corriente de fuga de sobretensión del multiplexor 8:1 ADG5248F se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Corriente de fuga del ADG5248F en función de la temperatura.

El modo de fallo típico de un sistema de alta impedancia es que la salida de drenaje tira del carril de alimentación en caso de fallo.

Diagnóstico de averías

La mayoría de los nuevos interruptores ADI protegidos contra fallos también tienen clavijas digitales de fallo. La clavija FF es una bandera de fallo general, que indica que uno de los canales de entrada está defectuoso. La clavija de fallo específico (o clavija SF) es una clavija que se puede utilizar para depurar qué entrada específica está defectuosa.

Estas clavijas pueden ser útiles para diagnosticar fallos en un sistema. La clavija FF primero alerta al usuario de un fallo. El usuario puede entonces escanear las entradas digitales y la clavija SF identificará el o los interruptores concretos que están defectuosos.

Beneficios del sistema

Las ventajas del sistema de la nueva cartera de interruptores protegidos contra fallos se ilustran en la figura 9. Las ventajas para el diseñador de sistemas son importantes, tanto para garantizar un rendimiento analógico óptimo en una cadena de señales de precisión, como para la solidez del sistema.

Figura 9. Interruptor ADI protegido contra fallos: características y ventajas del sistema.

Las ventajas sobre los componentes de protección discretos son evidentes y ya se han descrito con detalle. El exclusivo proceso de alta tensión y la nueva arquitectura de los interruptores también confieren a la nueva gama de interruptores ADI protegidos contra fallos una serie de ventajas sobre las soluciones de la competencia.

  • Tecnología punta REN planicidad para mediciones de precisión
  • Corriente de fuga de fallos líder en el sector, que permite seguir funcionando en otros canales no afectados por un fallo (10 veces mejor que las soluciones de la competencia)
  • Piezas con alimentaciones secundarias de fallos para obtener umbrales de fallo precisos, manteniendo un rendimiento óptimo del interruptor analógico
  • Indicadores de fallo inteligentes para el diagnóstico de fallos del sistema
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Ejemplos de aplicación

El primer ejemplo de aplicación que se muestra en la figura 10 es una cadena de señales de control de procesos, en la que un microcontrolador supervisa una serie de sensores, como sensores de temperatura RTD o termopar, sensores de presión y sensores de humedad. En una aplicación de control de procesos, el sensor puede estar conectado al extremo de un cable muy largo en una fábrica, con la posibilidad de que se produzcan fallos a lo largo del cable.

Figura 10: Ejemplo de una aplicación de control de procesos.

El multiplexor en este caso es el ADG5249F, que está optimizado para una baja capacitancia y bajas fugas. La baja fuga es importante para este tipo de medición de sensores de señal pequeña.

El conmutador funciona con suministros de ±15 V, mientras que los suministros secundarios de fallo están configurados para 5 V y GND para proteger el PGA y el ADC descendentes.

La señal del sensor principal pasa a través del multiplexor al PGA y al ADC, mientras que el diagnóstico de fallos se envía directamente al microcontrolador para proporcionar una interrupción en caso de fallo. Así, el usuario puede ser alertado de una situación de fallo y puede determinar cuál de los sensores ha fallado. Entonces se puede enviar a un técnico para que depure el fallo y, si es necesario, sustituya el sensor o el cable defectuoso.

Gracias a la especificación de baja fuga de fallos, líder en el sector, el resto de los sensores pueden seguir siendo supervisados aunque uno de ellos esté averiado y a la espera de ser sustituido. Sin una fuga de fallos tan baja, un fallo en un canal podría inutilizar todos los demás canales hasta que se repare el fallo.

El segundo ejemplo de aplicación de la figura 11 es una parte de una cadena de señales de adquisición de datos en la que el protector de canal ADG5462F añadiría valor. En este caso, hay un PGA con raíles de alimentación de ±15 V, mientras que el ADC posterior tiene un rango de señal de entrada de 0 V a 5 V.

Figura 11. Ejemplo de aplicación de adquisición de datos.

El protector de canal está situado entre el PGA y el ADC. Utiliza los carriles de alimentación de ±15 V como alimentación primaria para conseguir una resistencia de entrada óptima, y utiliza 0 V y 5 V para sus carriles de alimentación secundarios. El ADG5462F pasará la señal durante el funcionamiento normal, pero bloqueará cualquier salida de sobretensión del PGA entre 0 V y 5 V para proteger el ADC. Por lo tanto, al igual que en el ejemplo de aplicación anterior, la señal de interés se polariza en el REN región de actuación.

Resumen de la cartera

Tabla 1. Familia de interruptores de baja resistencia protegidos contra fallos
ProductoConfiguraciónUmbral de desconexión por averíaModo de fallo en la salidaBandera de error
ADG5412E
ADG5413F
Quad SPSTSuministros primariosCircuito abiertoBandera general
ADG5412BF
ADG5413BF
Quad SPST y
oVP bidireccional
Suministros primariosCircuito abiertoBandera general
ADG5462EProtector de cuatro canalesSuministros secundariosTirar de la alimentación secundaria o circuito abierto (por defecto)Bandera general
ADG5404Emux 4:1Suministros primariosTirar de la alimentación secundaria o circuito abierto (por defecto)Bandera general y específica
ADG5436EDoble SPDTFuentes de alimentación primariasTirar de la alimentación secundaria o circuito abierto (por defecto)Bandera general y específica
Tabla 2. Familia de interruptores protegidos contra fallos de baja capacitancia/baja inyección de carga
ProductoConfiguraciónUmbral de activación de fallosModo de fallo en la salidaBandera de fallo
ADG5208Fmultiplexor 8:1Suministros primariosTira de los raílesNo
ADG5209FMultiplexor diferencial 4:1Fuentes de alimentación primariasTira de los raílesNo
ADG5248Fmultiplexor 8:1Suministros secundariosTira hacia los suministros secundariosBanderas generales y específicas
ADG5249EMultiplexor diferencial 4:1Fuentes de alimentación secundariasTirando hacia los suministros secundariosBanderas generales y específicas
ADG5243ETriple SPDTFuentes de alimentación secundariasTira hacia los suministros secundariosBanderas generales y específicas

Resumen

La sustitución de los componentes de protección discretos tradicionales por conmutadores y multiplexores protegidos contra sobretensiones puede aportar muchas ventajas al sistema en una cadena de señales de precisión. Además de ahorrar espacio en la placa, las ventajas de rendimiento al sustituir los componentes discretos pueden ser importantes.

Analog Devices ofrece una amplia gama de conmutadores y multiplexores protegidos contra sobretensiones. Las últimas familias de dispositivos protegidos contra fallos se enumeran en la Tabla 1 y la Tabla 2. Están construidos con un proceso propio de inmunidad a las sobretensiones y a los bloqueos, y ofrecen un rendimiento y una funcionalidad de vanguardia para las cadenas de señales de precisión.

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