電壓監控模數轉換器電源域隔離設計

電源域隔離是電壓監控ADC系統的一個緊要設計要點，不合理的電源域隔離可能導致芯片關不掉，芯片發生閂鎖，甚至芯片損壞的后果。這些問題主要是由于芯片內部ESD保護二極管的限制，以及芯片上電時序的限制，充足考慮這兩點并且結合一些有效的隔離辦法，可以較方便的設計出合理的電源域隔離方案。

圖1：電壓監控

上圖是一個典型的ADC電壓監控系統的設計，對比兩顆ADC，TLC4541與ADS7951的使用情況。下面分別從芯片手冊絕對最大值限制，輸入電壓隔離，輸出接口隔離幾個角度來理解電源域隔離設計。

芯片絕對最大值限制

絕對最大值限制，是指芯片管腳上電壓，或者芯片溫度，或者功率耗散等超過了絕對最大準許值，芯片可能會損壞的一種說明。這里我們只考慮芯片管腳電壓的限制，圖2是TLC4541的限制，所有的輸入電壓都是以VDD為參考，假設VDD為0V，也就是掉電的情況下，其他管腳的電壓最大只能是正負0.3V，否則芯片有可能損壞。圖3是ADS7951的限制，模擬電源和數字電源之間沒有限制，但是輸入電壓和模擬供電電壓之間依然有一個0.3V的限制，就是模擬供電為0，輸入管腳電壓不超過正負0.3V。在電路上可以等效為一個二極管串聯在輸入電壓管腳和模擬供電電壓管腳上面。

圖2：絕對最大值限制（TLC4541）

圖3：絕對最大值限制（ADS7951）

隔離輸入電壓

由于絕對最大值的限制，圖1中的ADC如果要采集電池電壓的話，那么就非得保證ADC的模擬供電電壓5V一直存在，如果出于低功耗的考慮，5V需要關掉，那么在電池電壓和ADC之間需要使用一個隔離器件，否則有可能出現模擬供電電壓被抬升或者器件損壞的可能。模擬開關或者繼電器可以實現將電池電壓與ADC輸入斷開或者連接。TMUX154是專門為這種場景設計的模擬開關，可以保證沒有供電的情況下，輸入輸出的I/O是高阻抗的（當VCC=0V時，支持斷電保護I/O引腳Hi-Z），達到隔離輸入電壓的目的。

隔離數字接口

ADC的數字接口通常與MCU連接，如果MCU一直有電，但是ADC可能掉電進入低功耗，那么電壓經過MCU和ADC內部的ESD二極管會泄漏到ADC的內部，這樣會導致ADC關不掉或者閂鎖效應。所以如果要保證MCU運行但是ADC斷電進入低功耗模式，需要使用數字接口隔離器件，這里所指的隔離器件不是光耦或者磁偶一類的高壓隔離器件，而僅僅是電平隔離器件，比如很多的電平轉換或者緩沖器芯片，例如SN74AVC4T774，可以支持沒有供電時，輸出為高阻狀態（IOFF支持部分斷電模式操作）。

總結

本文主要討論了電壓監控ADC系統中輸入電壓，輸出接口隔離的問題，通過認識芯片的絕對最大值限制，探討了使用模擬開關隔離輸入電壓，使用電平轉換器件隔離輸出接口的辦法，為系統提供電源域的隔離。

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