如何保護低速接口和電源電路

在此安裝的“保護您的端口！ 保持通信連接的重要設(shè)計技巧“系列中，我們將討論低速接口和電源電路（包括音頻/視頻端口、直流電源等）以及如何保護它們的各種方法。

這是“保護您的端口！ ”系列中關(guān)于保護通信接口的第三篇文章。 之前的文章已經(jīng)討論了高數(shù)據(jù)速率接口，如以太網(wǎng)供電、USB、HDMI、DisplayPort和eSATA。 本文將介紹低速接口的保護方案。 此外，討論將擴展到電力線頻率和直流，以介紹交流和直流電源的保護方法。

本文討論的低速接口包括數(shù)字音頻、模擬視頻和鍵盤通信協(xié)議。 表 1 列出了這些接口的數(shù)據(jù)速率。

這些低速接口容易受到電壓瞬變的影響，特別是靜電放電（ESD）; 而電源容易受到電源線引起的過流條件和電壓瞬變的影響。 開發(fā)能夠承受瞬態(tài)沖擊的可靠接口電路需要使用保護方法來保護電路。 本文提供了有關(guān)保護這些接口及其供電電源的建議。

保護數(shù)字音頻端口

數(shù)字音頻電路中的音頻編解碼器（如圖1A框圖所示）容易受到快速瞬態(tài)浪涌和ESD沖擊的損壞。 幸運的是，設(shè)計人員只需要一個組件即可為左側(cè)輸出和右側(cè)輸出提供保護。

***圖1. *音頻和視頻接口端口的瞬態(tài)電壓保護

建議使用由一對背靠背齊納二極管組成的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管陣列，如圖2所示。

***圖2. *雙向二極管陣列對，用于音頻電路的ESD保護

TVS二極管陣列的優(yōu)點包括：

• 能夠從電快速瞬變中吸收高達(dá) 40 A 的電流
• 安全吸收高達(dá) ±15 kV 的 ESD 沖擊
• 對低于 1 ns 的瞬態(tài)快速響應(yīng)
• 0.5 μA 的低漏電流，在正常工作條件下消耗的功率可以忽略不計
• 最大電容為6 pF，以確保保護二極管對傳輸信號完整性的影響最小

此外，這些TVS二極管陣列的版本是 符合 AEC-Q101 汽車市場標(biāo)準(zhǔn). AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)是指組件必須滿足的一系列壓力測試才能被歸類為汽車級組件。 這些TVS二極管陣列采用SC70-3表面貼裝封裝。 因此，一個小型表面貼裝封裝有助于為音頻線創(chuàng)建堅固的端口。

保護視頻端口

與音頻端口一樣，視頻端口容易受到ESD和其他瞬變的影響。圖1B顯示了一個模擬視頻端口及其四條輸出線：Y、C、視頻和RF。單個組件可以為視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供必要的保護。在這種情況下，推薦的元件是4通道TVS二極管陣列芯片，如圖3所示。

***圖3. *帶齊納二極管保護的 4 通道 TVS 二極管陣列

4通道TVS二極管陣列組件提供：

• 吸收而不損壞高達(dá) 40 A 的電快速瞬態(tài)
• 高達(dá) ±15 kV 的空中和 ±10 kV 的直接接觸式 ESD 保護
• 典型漏電流低至 10 nA
• 典型引腳接地電容僅為極低的0.3 pF

此類保護組件的版本也通過了 AEC-Q101 認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用。該組件采用 SOT23-6 表面貼裝封裝，可最大限度地消耗印刷電路板空間。4通道TVS二極管陣列芯片提供必要的保護，對視頻信號的影響最小。

保護鍵盤端口

鍵盤是眾多工業(yè)和消費產(chǎn)品的數(shù)據(jù)輸入和控制設(shè)備。圖 4A 顯示了鍵盤端口的框圖。

***圖4. *鍵盤和電池組的保護方案

激活需要直接接觸，這可能會將ESD引入鍵盤電路。對于鍵盤線路，請考慮使用多層壓敏電阻 （MLV）。MLV 提供高水平的保護，具有以下功能：

• 吸收高達(dá) 500 A 的浪涌電流脈沖或 2.5 J 的浪涌能量
• ?40° C 至 125° C 的寬工作溫度范圍
• 廣泛的工作電壓范圍，低至 3.5 V

MLV 有助于實現(xiàn)合規(guī)性電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，如 IEC 61000-4-2.此外，MLV 還提供緊湊型 0402 表面貼裝封裝。

保護電池組控制端口

電池組供電，因此控制器IC需要過流和電壓瞬態(tài)保護。 圖4B顯示了電池信號和電池控制器IC的框圖。 由于電池提供直流電源，因此最好使用用于過流保護的快速熔斷保險絲。

快速熔斷保險絲提供：

• 0.2 s 快速跳閘時間，過載 300%
• 0.25 至 5 A 的低電流保險絲額定值
• 額定電壓高達(dá) 32 V 時，電流中斷額定值高達(dá) 35 A

對于瞬態(tài)電壓保護，TVS二極管陣列，例如4通道芯片（推薦用于保護視頻接口的端口），將保護控制器IC免受ESD和其他瞬變的影響。 如前所述，該組件具有AEC-Q101資格。

電源電路保護

電源電路會受到源自交流電源線的過流和過壓瞬變的影響。 因此，保護交流電路既需要用于過流保護的保險絲，也需要用于過壓保護的MOV。 一些應(yīng)用還可能考慮其他技術(shù)，如TVS二極管、SIDACtor或GDT。 （有關(guān)此主題的進(jìn)一步討論可在 IEC 62368-1 參考文檔.)

圖 5 顯示了建議的保護網(wǎng)絡(luò)。

***圖5. *交流輸入推薦保護

對于 AC-DC 電源，請考慮使用慢熔玻璃主體保險絲。 慢熔斷保險絲將防止由于交流線路上的感應(yīng)電流浪涌而斷開。 此類保險絲的其他特點是：

• 額定電流從低 10 mA 到最大 30 A
• 額定電壓達(dá) 250 VAC 或更高
• 電流中斷額定值高達(dá) 10 kA，適用于 120 VAC 電路

這些保險絲是 UL 和 CSA 組件，可得到標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的快速和簡化批準(zhǔn)。

在AC-DC電源輸入端具有較大功率處理能力的MOV將安全地吸收可在交流線路上傳播的瞬變，并將有害瞬變排除在電源電路之外。 尋找能夠承受高達(dá) 10 kA 峰值脈沖電流或 400 J 脈沖能量的 MOV。 還可以考慮在 ?55 至 125° C 等寬溫度范圍內(nèi)工作的堅固型 MOV。 與保險絲一樣，請確保 MOV 已識別 UL 或 CSA 組件。

保護各種類型的直流電源

根據(jù)電路的電壓和應(yīng)用，直流電源的輸入有不同的保護方案。 每種類型的電路都有不同的建議。

為保護 12 V 或 24 V 直流電源，建議使用 MOV 或 TVS 二極管（類似于之前建議用于交流輸入電源的二極管）。 圖 6A 顯示了直流電源輸入上的 MOV。 該組件將保護電路免受高達(dá) 10 kA 的峰值浪涌的影響，并且可以在高達(dá) 125°C 的溫度下運行。 MOV 為電源電路提供了良好的長期可靠性。

* 圖 6. 各種直流電源輸入的推薦保護配置*

對于更高電壓的直流電源，例如 48 VDC 電源，應(yīng)在輸入端使用壓敏電阻或 TVS 二極管，接地線上的氣體放電管也應(yīng)使用（參見圖 6B）。 氣體放電管可以承受高達(dá)20 kA的電流浪涌，并在發(fā)生浪涌時保護電路不會漂浮到地面以上的危險水平。 當(dāng)絕緣電阻為 10 GΩ 時，氣體放電管在正常工作期間消耗的電流小于 10 nA。

包含功率因數(shù)校正電路的直流電源應(yīng)具有串聯(lián)保險絲和并聯(lián)MOV，用于過流和過壓保護。 參見圖 6C。 考慮使用慢熔斷保險絲，以避免由于開關(guān)電源的啟動電流浪涌而導(dǎo)致保險絲斷開。 額定電流為 10 至 30 A 的慢熔斷陶瓷保險絲，在 500 V 直流電壓下具有 20 kA DC 的分?jǐn)囝~定值。 這些保險絲的版本采用 6.3 mm x 32 mm 封裝，占用空間極小。 建議對 12/24 V 和 48 V DC 電路使用相同類型的 MOV。

保護便攜式設(shè)備中的直流電源還有一些額外的注意事項。 仍然需要過流和過壓保護; 但是，您還應(yīng)考慮聚合物正溫度系數(shù) （PPTC）、可復(fù)位保險絲。 參見圖 6D。 PPTC 熔斷器提供了在發(fā)生過流情況時不必更換保險絲的便利。 它們具有低電阻，通常在數(shù)十至數(shù)百毫歐 （mΩ） 之間，快速跳閘時間不到 5 秒。 PPTC 保險絲采用 0402 表面貼裝封裝，可最大限度地減少小型便攜式設(shè)備的空間。 應(yīng)考慮使用TVS二極管來代替MOV，用于直流電路的過壓保護。 TVS 齊納二極管提供電路保護，可抵御 ±30 kV 的大型空中或直接接觸 ESD 沖擊。 也 TVS 二極管可以安全地吸收高達(dá) 80 A 的雷擊電流。

直流電源的輸出也應(yīng)具有適當(dāng)?shù)谋Ｗo。 如圖7所示，TVS二極管通過將瞬變箝位至低電壓來保護敏感的下游電路。 這些TVS二極管有單向或雙向兩種型號。

***圖7. *保護直流電源電路輸出的推薦元件

受保護的端口是堅固、可靠的端口

您可以通過將保護組件納入您的設(shè)計來開發(fā)可靠且穩(wěn)健的電路。 您不需要很多組件，組件配置也很簡單。 提供范圍廣泛的保護組件。 為了減輕元件選擇的任務(wù)和時間，可以利用制造商的專業(yè)知識。 制造商的應(yīng)用工程師可以幫助您選擇組件，并指導(dǎo)您了解適用于您正在開發(fā)的產(chǎn)品的眾多標(biāo)準(zhǔn)。 一些制造商提供測試功能——既可以驗證設(shè)計的過載保護性能，也可以根據(jù)適當(dāng)?shù)膰液蛧H標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行預(yù)一致性測試。 為您的設(shè)計提供的額外保護將降低您的保修成本并提高您公司在高質(zhì)量產(chǎn)品方面的聲譽。