[经验]

电压监控ADC系统中输入电压和输出接口隔离问题

2019-3-15 06:45:05

2678 adc 接口

作者：ti 工程师沈军
电源域隔离是电压监控ADC系统的一个重要设计要点，不合理的电源域隔离可能导致芯片关不掉，芯片发生闩锁，甚至芯片损坏的后果。这些问题主要是由于芯片内部ESD保护二极管的限制，以及芯片上电时序的限制，充分考虑这两点并且结合一些有效的隔离方法，可以较方便的设计出合理的电源域隔离方案。

图（1）电压监控
上图是一个典型的ADC电压监控系统的设计，对比两颗ADC，TLC4541 与ADS7951的使用情况。下面分别从芯片手册绝对最大值限制，输入电压隔离，输出接口隔离几个角度来理解电源域隔离设计。
芯片绝对最大值限制
绝对最大值限制，是指芯片管脚上电压，或者芯片温度，或者功率耗散等超过了绝对最大允许值，芯片可能会损坏的一种说明。这里我们只考虑芯片管脚电压的限制，左图是TLC4541的限制，所有的输入电压都是以VDD为参考，假设VDD为0V,也就是掉电的情况下，其他管脚的电压最大只能是正负0.3V，否则芯片有可能损坏。右图是ADS7951的限制，模拟电源和数字电源之间没有限制，但是输入电压和模拟供电电压之间仍然有一个0.3V的限制，就是模拟供电为0，输入管脚电压不超过正负0.3V。在电路上可以等效为一个二极管串联在输入电压管脚和模拟供电电压管脚上面[1]。

图（2）绝对最大值限制（TLC4541，ADS7951）
隔离输入电压
由于绝对最大值的限制，图（1）中的ADC如果要采集电池电压的话，那么就必须保证ADC的模拟供电电压5V一直存在，如果出于低功耗的考虑，5V需要关掉，那么在电池电压和ADC之间需要使用一个隔离器件，否则有可能出现模拟供电电压被抬升或者器件损坏的可能。这个器件可以将电池电压与ADC输入断开或者连接，模拟开关或者继电器可以实现这个功能。TMUX154是专门为这种场景设计的模拟开关，可以保证没有供电的情况下，输入输出的I/O是高阻抗的（ Supports Powered-off Protection I/O Pins Hi-Z When VCC = 0 V），达到隔离输入电压的目的。
隔离数字接口
ADC的数字接口通常与MCU连接，如果MCU一直有电，但是ADC可能掉电进入低功耗，那么电压经过MCU和ADC内部的ESD二极管会泄漏到ADC的内部，这样会导致ADC关不掉或者闩锁效应 [1]。所以如果要保证MCU运行但是ADC断电进入低功耗模式，需要使用数字接口隔离器件，这里所指的隔离器件不是光耦或者磁偶一类的高压隔离器件，而仅仅是电平隔离器件。比如很多的电平转换或者缓冲器芯片，例如SN74AVC4T774，可以支持没有供电时，输出为高阻状态（Ioff Supports Partial Power-Down-Mode Operation）。
总结
本文主要讨论了电压监控ADC系统中输入电压，输出接口隔离的问题，通过认识芯片的绝对最大值限制，探讨了使用模拟开关隔离输入电压，使用电平转换器件隔离输出接口的方法，为系统提供电源域的隔离。
参考文献