Zabezpieczanie przełączników analogowych

Przełączniki analogowe są układami zastępującymi przekaźniki i realizującymi komutację niskomocowych sygnałów analogowych, w których kierunek przepływu sygnału przez przełącznik nie jest istotny. Do celów klasyfikacji zakłada się jednak pewien kierunek przepływu sygnału i klasyfikuje się je według liczby wspólnych wejść (ang. pole) oraz liczby wyjść (throw). Przykładowo, przełącznik SPST (single pole single throw) ma jedno umowne wejście i jedno wyjście, a przełącznik SPDT (single pole double throw) jedno umowne wejście i dwa wyjścia. Chociaż można spotkać przełączniki o większej liczbie wyjść, te dwa podstawowe typy są najczęściej stosowane.

Rys.1. Niepodłączony pin Vcc powoduje, że napięcie na wejściu przełącznika Vsw zasila go i podaje niepożądane przenikanie sygnału na wyjście.

Dostępne na rynku, scalone przełączniki analogowe CMOS wyposażone są dodatkowo w niezbędne układy kontrolne i interfejs sterujący. W przypadku omawianych przełączników stosowane są dwa wejścia sterujące OE (output enable) oraz S (select). To ostatnie wejście w przypadku przełącznika SPST zwiera lub rozwiera przełącznik, a w przypadku SPDT steruje drogą przepływu sygnału, przekierowując go na jedno z umownych wyjść. Podstawowym parametrem przełącznika jest rezystancja szeregowa, szczególnie ważna w przypadku sygnałów niosących informację w amplitudzie.

Każda rezystancja wprowadza do sygnału szumy. Im większa rezystancja tym większy szum, co jest szczególnie ważne przy stosowaniu wielobitowych przetworników A/C i C/A. Może się bowiem okazać, że drogi 16-bitowy przetwornik poprzez rezystancję szeregową przełącznika efektywnie działa jak przetwornik 14-bitowy. Inne ważne parametry tych elementów to czas przełączania oraz pasmo pracy. Napięcie oraz prąd zasilania, ten ostatni z reguły bardzo mały ze względu na technologię CMOS, również muszą być brane pod uwagę przy wyborze konkretnego typu. Dodatkowo, należy pamiętać, iż producenci często w jednej obudowie umieszczają kilka przełączników.

Niezależnie jednak od aplikacji, projektanci przełączników borykają się z problemem występowania sygnału na wejściu przełącznika w momencie, kiedy przełącznik nie jest zasilany. Mała izolacja niezasilanego przełącznika w stanie wyłączenia jest powodem powstawania znacznych prądów upływu oraz prowadzi do powstania niepożądanych impulsów szpilkowych na jego wyjściu. To z kolei może prowadzić do problemów przy przetwarzaniu analogowego sygnału, kiedy to niepożądane sygnały przedostaną się, albo inaczej nie zostaną dostatecznie stłumione.

Prądy upływu są jednak większym problemem niż mała izolacja, ponieważ mogą prowadzić do uszkodzenia urządzenia i koniecznych nakładów serwisowych w przypadku roszczeń gwarancyjnych konsumenta. Jest to główna przyczyna, dla której w nowszych seriach przełączników analogowych stosuje się specjalizowane układy zabezpieczające przełącznik, gdy nie jest on zasilany (power-off protection). Zabezpieczenia te zwiększają wytrzymałość na zbyt wysokie napięcia na wejściu oraz izolację niezasilanego przełącznika.

Niebezpieczeństwa

Rys.2. W typowym przełączniku zbyt wysokie napięcie na wejściu powoduje przepływ prądu upływu.

Są sytuacje, w których pożądane jest stosowanie przełącznika analogowego w celu zapewnienia izolacji sygnału, kiedy przełącznik nie jest zasilany. Oprócz oczywistego sterowania włączaniem (power-up sequencing) równie ważnymi zastosowaniem jest możliwość podłączania lub odłączania urządzeń peryferyjnych przy włączonym zasilaniu (hot plugging), blokowanie sygnałów przejściowych oraz sytuacje awaryjne.

W przypadku sterowania włączaniem niektóre bloki funkcjonalne urządzenia są zasilane wcześniej niż inne. Często wynika to z różnych napięć zasilających wymaganych przez poszczególne bloki i prowadzi do występowania w urządzeniu wielu wewnętrznych szyn zasilających. Generalnie, w celu zapewnienia najlepszych parametrów przełączników, zasila się je z szyny o najwyższym dostępnym napięciu.

Bardzo często sterowanie włączaniem działa w ten sposób, iż najpierw włączane jest zasilanie bloków wymagających niższych napięć zasilających a następnie wyższych. Oznacza to, że zasilanie bloków wymagających niższego napięcia Vcc, takie jak procesory sterujące i przetwarzające dane włączane jest wcześniej niż zasilanie wymagającego wyższych napięć bloku analogowego (chipsetu). Przykładowo, jeśli przełącznik analogowy służy do przekierowywania sygnałów a kontroler sterujący włączony jest wcześniej niż przełącznik, kontroler może podać sygnał na wejście przełącznika zanim będzie on w pełni włączony.

W typowym przełączniku podanie sygnału na wejście niezasilanego w pełni przełącznika nie gwarantuje jego poprawnej pracy. Najczęściej projektant jest tego świadomy i konstruuje tak urządzenie by móc polegać na izolacji między wejściem i wyjściem przełącznika. Nawet jednak i w dobrze zaprojektowanym systemie sygnał może przenikać przez niezasilany przełącznik, jeśli nie jest on wyposażony w specjalizowane układy gwarantujące wysoką izolację.

Przenikanie sygnału przez przełącznik prowadzi do błędnej interpretacji stanów logicznych, co może uniemożliwić poprawny start systemu. Może ono nawet wystąpić równocześnie na obydwu wyjściach przełącznika SPDT, niezależnie od stanu wejść sterujących OE i S.

Kiedy końcówka zasilająca przełącznik Vcc nie jest podłączona lub jest podłączona do masy przez dużą rezystancję (weak pull down), sygnał wejściowy przełącznika Vsw zasila wewnętrzne układy sterujące przełącznika i w związku z tym przenika na wyjścia jak to pokazano na rys 1. Pojawienie się napięcia w węźle wewnętrznym oznaczonym jako Vsw-0,8V (uwzględniamy spadek napięcia na diodzie) powoduje, że przełącznik włącza się i przepuszcza sygnał wejściowy na niewybrane wyjście.

Tam gdzie przełącznik stosowany jest jako zabezpieczenie przed sygnałami przejściowymi lub przed sytuacjami awaryjnymi, przełącznik w celu izolacji bloków wewnętrznych jest często umieszczony na peryferiach systemu. W sytuacjach awaryjnych element ten powinien wytrzymać bez uszkodzenia przez kilkanaście milisekund.

Kiedy napięcie na wejściu przełącznika jest obecne dłużej, jak to ma miejsce w przypadku uszkodzenia lub podczas sterowania włączaniem systemu może dojść do nieodwracalnego uszkodzenia. Uszkodzenie to wynika z dużego prądu płynącego z wejścia przełącznika do uziemionego pinu zasilającego przełącznik Vcc, jak to pokazano na rys.2.

Ta droga przepływu prądu wynika z obecności pasożytniczej diody tranzystora PMOS (do kontaktu podłoża), która zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia, jeśli napięcia wejściowe są wyższe niż Vcc+0,5V. Minimalne napięcie potrzebne do spolaryzowania tej diody w kierunku przewodzenia to właśnie 0,5V.

Pasożytnicza dioda powoduje przepływ prądu przez układ scalony do pinu zasilającego Vcc. Im wyższe napięcie, tym większy prąd. Zależność napięcie prąd jest rzecz jasna wykładnicza, bo choć to pasożytnicza to jednak dioda. W wyniku tego zjawiska maksymalny prąd dopuszczony przez producenta może zostać szybko przekroczony, a przełącznik uszkodzony.

Uszkodzenie przełącznika spowodowane za wysokim napięciem podanym na wejście w stosunku do napięcia na pinie Vcc, powoduje przepływ nadmiernego prądu upływu. Najczęściej przełącznik nie będzie poprawnie funkcjonować nawet po powrocie do normalnych warunków zasilania.

Jak zapobiegać?

Rys.3. Zasada działania specjalizowanego układu zabezpieczającego.

Przełączniki z zabezpieczeniem napięciowym mają specjalne układy zabezpieczające przed niepożądanym przedostawaniem się sygnału przez przełącznik oraz zapewniają niezawodne działanie systemu w trakcie występowanie zbyt wysokiego napięcia na jego wejściu. Nawet kiedy napięcie Vcc jest równe zero, przełącznik izoluje wejścia i wyjścia sygnału niezależnie od stanu wejść sterujących, a więc droga do przenikania niepożądanych sygnałów zostaje zamknięta.

Dodatkowo układ zabezpieczający uniemożliwia przepływ prądu upływu pomiędzy wejściem sygnału a pinem zasilania. Niezasilany przełącznik z układem ochronnym ma bowiem wejścia sygnału w stanie wysokiej impedancji co skutecznie zapobiega spolaryzowaniu pasożytniczej diody podłożowej w kierunku przewodzenia. Pamiętać trzeba jednak, że o ile nie jest to dokładnie wyspecyfikowane układ zabezpieczenia działa tylko na jednym porcie (najczęściej wspólnym wejściu/wyjściu gdyż ten port z reguły narażony jest na takie niebezpieczeństwo), a nie po obu stronach przełącznika. Należy więc dokładnie przestudiować pod tym kątem dokumentację stosowanego układu.

Gdy przełącznik jest zasilany układ ochronny nie zabezpiecza przed prądami upływu. Przykładowo, jeśli Vcc=2,8V a Vsw=3,6V układ zabezpieczający nie będzie działał i prąd popłynie. Projektant musi w tym wypadku sprawdzić w dokumentacji przełącznika, czy maksymalny prąd nie zostanie przekroczony. W typowym przełączniku napięcie Vsw może być wyższe od Vcc o 0,5V. Należy unikać różnicy napięć większej niż 0,5 V, gdyż prowadzi to do obniżenia niezawodności. W rozważanym przykładzie należy więc zwiększyć napięcie zasilające przełącznik. Innym rozwiązaniem problemu jest włączenie w rezystora o rezystancji np. 100 Ohm pomiędzy szynę zasilającą, a pin zasilania przełącznika. W ten sposób można ograniczyć prąd upływu.

W skrajnych przypadkach konieczne może okazać się zastosowanie specjalizowanego, zewnętrznego układu zabezpieczającego. Zasadę działania takiego układu pokazano na rys 3. Układy te oferują zabezpieczenie napięciowe przekraczające kilkadziesiąt woltów. Ceną, jaką jednak trzeba zapłacić jest rezystancja szeregowa układu rzędu kilkudziesięciu omów.

Dariusz Pieńkowski