如何保護低速接口和電源電路

在這個(gè)安裝“保護你的端口！“保持通信連接的最佳設計技巧”系列，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“保護你的港口”的第三篇文章通信接口保護系列。前面的文章討論了高速數據接口，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，討論將延伸到電源線(xiàn)頻率和直流，以提出交流和直流電源的保護方法。

文中討論了模擬鍵盤(pán)、數字鍵盤(pán)的低速通信協(xié)議。表1列出了這些接口的數據速率。

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）；然而，電源易受電源線(xiàn)感應過(guò)電流和電壓瞬變的影響。開(kāi)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(lái)保護電路。本文提供了保護這些接口和為其供電的電源的建議。

數字音頻電路中的音頻編****，如圖1A方框圖所示，容易受到快速瞬態(tài)浪涌和靜電放電沖擊的損壞。幸運的是，設計者只需要一個(gè)組件就可以為左側輸出和右側輸出提供保護。

圖1音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用于音頻電路ESD保護的雙向二極管陣列對

TVS二極管陣列的優(yōu)點(diǎn)包括：

• 從電快速瞬變中吸收高達40A的能力

• 可安全吸收高達±15 kV的靜電放電

• 對1ns以下瞬態(tài)的快速響應

• 0.5μA的低泄漏電流，在正常工作條件下消耗的功率可忽略不計

• 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，這些電視二極管陣列的版本是AEC-Q101-符合汽車(chē)市場(chǎng)要求. AEC-Q101標準指的是一系列的應力測試，組件必須滿(mǎn)足這些測試才能被歸類(lèi)為汽車(chē)級部件。這些電視二極管陣列在SC70-3表面貼裝封裝中提供。因此，一個(gè)小的，表面安裝包可以幫助創(chuàng )建一個(gè)強大的音頻線(xiàn)路端口。

與音頻端口一樣，視頻端口易受ESD和其他瞬態(tài)的影響。圖1B顯示了一個(gè)模擬視頻端口及其四條輸出線(xiàn)：Y、C、video和RF。單個(gè)元件可以為視頻模數轉換器提供必要的保護。在這種情況下，推薦的組件是一個(gè)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：

• 吸收無(wú)損傷高達40安培的電快速瞬變

• 通過(guò)空氣和直接接觸，ESD保護高達±15 kV和±10 kV

• 典型泄漏電流低至10毫安

• 極低0.3 pF的典型引腳接地電容

這種類(lèi)型的保護組件的版本也經(jīng)過(guò)AEC-Q101認證，可用于汽車(chē)應用。該組件采用SOT23-6表面貼裝封裝，以最大限度地減少pc板的消耗。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。

鍵盤(pán)是許多工業(yè)和消費品的數據輸入和控制設備。圖4A顯示了鍵盤(pán)端口的框圖。

圖4鍵盤(pán)和電池組的保護方案

激活需要直接接觸，這可能會(huì )在鍵盤(pán)電路上引入靜電放電。對于鍵盤(pán)線(xiàn)路，考慮使用多層壓敏電阻（MLV）。MLV提供高水平的保護：

• 吸收高達500 a的浪涌電流脈沖或2.5 J的浪涌能量

• 寬工作溫度范圍?40°C至125°C

• 工作電壓范圍廣，低至3.5伏

MLV有助于實(shí)現EMC標準，如IEC 61000-4-2. 此外，MLV還提供緊湊型0402表面安裝包。

電池組提供電源，因此控制器IC需要過(guò)電流和電壓瞬變保護。圖4B顯示了電池信號和電池控制器IC的框圖。作為電池的直流電源，快速熔斷保險絲的過(guò)電流保護是最好的。

快速熔斷保險絲提供：

• 300%過(guò)載時(shí)0.2秒的快速跳閘時(shí)間

• 0.25至5 A的低電流保險絲額定值

• 額定電壓高達32V時(shí)，電流中斷額定值高達35A

對于瞬態(tài)電壓保護，TVS二極管陣列，如4通道芯片（建議用于保護視頻接口端口），將保護控制器IC免受ESD和其他瞬態(tài)的影響。如前所述，該部件具有AEC-Q101認證。

電源電路受到來(lái)自交流電源線(xiàn)的過(guò)電流和過(guò)電壓瞬變的影響。因此，保護交流電路需要一個(gè)用于過(guò)電流保護的保險絲和一個(gè)用于過(guò)壓保護的MOV。一些應用還可以考慮其他技術(shù)，如TVS二極管、SIDACtors或GDTs(關(guān)于這個(gè)主題的進(jìn)一步討論可以在IEC 62368-1參考文件 .)

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A(yíng)C-DC電源，考慮使用慢吹玻璃本體保險絲。慢熔斷保險絲將防止因交流線(xiàn)路上的感應電流浪涌而斷開(kāi)。這種保險絲的其他特點(diǎn)是：

• 電流額定值從最低10毫安到最大30安

• 額定電壓為250 VAC及以上

• 120伏交流電路的電流中斷額定值高達10千安

這些保險絲是UL和CSA組件，通過(guò)標準機構的快速和簡(jiǎn)化認證。

在A(yíng)C-DC電源輸入端具有強大功率處理能力的MOV將安全地吸收可在交流線(xiàn)路上傳播的瞬態(tài)，并將有害瞬態(tài)排除在電源電路之外。尋找一個(gè)MOV，它能承受高達10 kA的峰值脈沖電流或400 J的脈沖能量。也可以考慮一個(gè)堅固的MOV，它可以在很寬的溫度范圍內工作，例如?55至125°C。與保險絲一樣，確保MOV是UL或CSA組件識別的。

根據電路電壓和應用，直流電源輸入有不同的保護方案。每種類(lèi)型的電路都有不同的建議。

為了保護12 V或24 V直流電源，建議使用MOV或TVS二極管（類(lèi)似于先前建議的交流輸入電源）。圖6A顯示了直流電源輸入端的MOV。該部件將保護電路免受高達10 kA的峰值浪涌影響，并可在高達125°C的溫度下工作。MOV為電源電路提供了良好的長(cháng)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，如48伏直流電源，應在輸入端使用變阻器或TVS二極管，以及接地線(xiàn)上的氣體放電管（見(jiàn)圖6B）。氣體放電管能承受高達20千安的電流浪涌，并在電涌發(fā)生時(shí)保護電路不浮到地面上的危險水平。氣體放電管的絕緣電阻為10gΩ，正常工作時(shí)的放電電流小于10na。

包括功率因數校正電路的直流電源應具有串聯(lián)保險絲和并聯(lián)MOV，用于過(guò)電流和過(guò)壓保護。見(jiàn)圖6C?？紤]使用慢熔斷保險絲，以避免由于開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)電流浪涌而導致保險絲斷開(kāi)?？商峁╊~定值為10至30 A的緩燃陶瓷熔斷器，在500 V的直流電壓下，中斷額定值為20 kA DC。這些型號的保險絲采用6.3 mm×32 mm封裝，占用最小空間。建議12/24 V和48 V直流電路使用相同類(lèi)型的MOV。

保護便攜式設備中的直流電源還有一些額外的考慮因素。仍然需要過(guò)流和過(guò)壓保護；然而，你也應該考慮一個(gè)聚合物正溫度系數（PPTC），可復位保險絲。見(jiàn)圖6D。PPTC保險絲提供了在發(fā)生過(guò)電流情況時(shí)不必更換保險絲的便利。它們的電阻很低，通常在幾十到幾百毫歐姆（m?), 快速旅行時(shí)間小于5秒。PPTC保險絲采用0402表面安裝封裝，以盡量減少小型便攜式設備的空間。代替MOV，應考慮使用TVS二極管對直流電路進(jìn)行過(guò)壓保護。TVS齊納二極管提供電路保護，防止±30 kV的大通空氣或直接接觸ESD沖擊。此外，電視二極管可以安全地吸收高達80安培的雷擊。

你的直流電源的輸出也應該有適當的保護。一個(gè)TVS二極管，如圖7所示，將通過(guò)將瞬態(tài)箝位到低電壓來(lái)保護敏感的下游電路。這些電視二極管有單向或雙向型號。

通過(guò)在設計中加入保護元件，您可以開(kāi)發(fā)出可靠和可靠的電路。您不需要很多組件，組件配置也很簡(jiǎn)單?？商峁┒喾N保護組件。為了簡(jiǎn)化組件選擇的任務(wù)和時(shí)間，利用制造商的專(zhuān)業(yè)知識。制造商的應用工程師可以幫助您選擇組件，并指導您通過(guò)適用于您正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品的眾多標準。一些制造商提供測試功能，既可以驗證設計的過(guò)載保護性能，也可以根據適當的國家和國際標準進(jìn)行預合規性測試。對您的設計的附加保護將降低保修期內的成本，并提高貴公司高質(zhì)量產(chǎn)品的聲譽(yù)。