В низковольтных системах управления на основе ПЛИС или микроконтроллеров защита от перенапряжения обычно реализуется с помощью RC-фильтров нижних частот и параметрических ограничителей на основе стабилитронов или TVS-диодов. Однако из-за возможности рассеивания большой мощности подобные узлы сложно сделать компактными, что накладывает ограничения на использование их в малогабаритном оборудовании. В этом случае наилучшим решением являются разработанные Analog Devices буферные ключи, позволяющие обеспечить надежную защиту от перенапряжения без значительного увеличения размеров устройства.
Микросхема ADG7421F содержит два защищенных однополюсных двунаправленных ключа (Single-Pole/Single-Throw, SPST), подключенных между выводами S1–D1 и S2–D2 (рисунок 1). Узлы, требующие защиты, подключаются к выводам D1 и D2. Внешние элементы, соединяемые, как правило, с платой управления проводами большой длины, подключаются к выводам S1 и S2.
Рис. 1. Типовая схема применения микросхемы ADG7421F
Состояние ключей определятся напряжениями на выводах IN1 и IN2. При подаче на эти выводы сигналов с высоким логическим уровнем сопротивление между Sx-Dx уменьшается до 12 Ом. Это позволяет беспрепятственно передавать между данными выводами как аналоговые, так и цифровые сигналы. Такое состояние будет поддерживаться до тех пор, пока напряжение на любом из выводов Sx не станет больше положительного VDD или меньше отрицательного VSS напряжения питания микросхемы ADG7421F. Если хоть одно из напряжений Sx выйдет за пределы VSS…VDD, то оба ключа будут переведены в высокоимпедансное состояние (независимо от уровней сигналов на выводах INх), а на выводе FF (выходе с открытым стоком) будет установлен низкий уровень, свидетельствующий о переходе микросхемы в состояние блокировки.
Абсолютное значение напряжений Sx относительно общего вывода микросхемы GND может находиться в диапазоне ±60 В и ограничивается на этом уровне интегрированными TVS-диодами.
Абсолютное значение напряжения между выводами VDD и VSS для микросхемы ADG7421F не может превышать 5,5 В. При этом значения напряжений VDD и VSS необязательно должны быть симметричны относительно общего провода GND. Это позволяет использовать микросхемы ADG7421F в системах управления на основе большинства распространенных микроконтроллеров, ПЛИС и аналоговых процессоров с напряжением ±1,8, ±2,5, +1,8, +3,3 и +5 В. При этом для включения каналов микросхемы достаточно подать на выводы INx сигналы с напряжением, начиная от 1,8 В.
Следует отметить, что микросхема ADG7421F защищает подключенные узлы даже при отсутствии напряжения питания, поскольку в этом режиме внутренние ключи находятся в высокоимпедансном состоянии, а напряжение на выводах Sx ограничивается интегрированными TVS-диодами на уровне ±60 В.
В отличие от классических решений на основе параметрических ограничителей, при возникновении перенапряжения микросхема ADG7421F переходит в высокоимпедансное состояние. При этом ток, протекающий через выводы Sx, не превышает 120 мкА, а через выводы Dx – 30 нА. Таким образом, при возникновении перенапряжения микросхема ADG7421F превращается в надежный изоляционный барьер, и энергия помехи не выделяется на ее кристалле. Это позволяет значительно уменьшить размеры этого компонента без ущерба для качества защиты. Микросхемы ADG7421F выпускаются в 10-выводных корпусах LFCSP с размерами всего 2х3 мм и способны работать при диапазонах температур окружающей среды -40…125°С без применения специализированного охлаждения.
Ключевыми преимуществами микросхем ADG7421F являются:
- защита внутренних узлов от перенапряжения в диапазоне ±60 В;
- переход в режим блокировки при обнаружении перенапряжения на любом из двух каналов;
- малое сопротивление каналов 12 Ом;
- индикация режима блокировки;
- поддержка наиболее распространенных напряжений питания: ±1,8 В, ±2,5 В, +1,8 В, +3,3 В, +5 В;
- защита выводов от электростатических разрядов (3 кВ, в соответствии с HBM);
- широкий диапазон рабочих температур -40…125°С;
- компактный корпус LFCSP-10 с размерами 2х3 мм.
Основной областью применения микросхем ADG7421F являются низковольтные приложения на основе микроконтроллеров, ПЛИС и аналоговых сигнальных процессоров, в том числе системы сбора данных, контрольно-измерительные приборы, авионика, автоматизированное оборудование, системы связи и твердотельные коммутаторы.
Рис. 2. Оценочная плата EVAL-ADG7421F
Оценить эффективность защиты микросхем ADG7421F и принять решение о целесообразности использования их в конечных устройствах можно с помощью демонстрационных плат EVAL-ADG7421F (рисунок 2). На них, помимо микросхем ADG7421F со всеми необходимыми внешними компонентами, установлены разъемы для подключения внешних устройств и контрольно-измерительного оборудования.
