簡述保護低速接口和電源電路設(shè)計技巧

這是“保護您的端口！”中的第三篇文章。通信接口保護系列。之前的文章討論了 高數(shù)據(jù)速率接口，]()** 例如以太網(wǎng)供電、USB、HDMI、DisplayPort 和 eSATA。本文將介紹低速接口的保護方案。此外，討論將擴展到電源線頻率和直流，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，尤其是靜電放電 (ESD)；而電源易受電力線感應(yīng)過電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。本文提供了保護這些接口和為其供電的電源的建議。

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 的框圖所示）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.音視頻接口端口瞬態(tài)電壓保護

建議使用由一對背對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)點包括：

• 能夠從電快速瞬變中吸收高達 40 A 的電流
• 安全吸收高達 ±15 kV 的 ESD 沖擊
• 對 1 ns 以下瞬態(tài)的快速響應(yīng)
• 0.5 μA 的低漏電流，在正常工作條件下消耗的功率可忽略不計
• 6 pF 的最大電容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 二極管陣列的版本符合 AEC-Q101 標準，適用于汽車市場。AEC-Q101 標準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，一個小的表面貼裝封裝可以幫助為音頻線創(chuàng)建一個強大的端口。

保護視頻端口

與音頻端口一樣，視頻端口也容易受到 ESD 和其他瞬變的影響。圖 1B 顯示了一個帶有四個輸出線的模擬視頻端口：Y、C、視頻和 RF。單個組件可為視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供必要的保護。在這種情況下，推薦的組件是一個 4 通道 TVS 二極管陣列芯片，如圖 3 所示。

圖 3.具有齊納二極管保護的 4 通道 TVS 二極管陣列

4 通道 TVS 二極管陣列組件提供：

• 吸收不損壞高達 40 A 電快速瞬變
• 高達 ±15 kV 的空氣和 ±10 kV 的直接接觸 ESD 保護
• 典型漏電流低至 10 nA
• 極低的 0.3 pF 典型引腳接地電容

此類保護組件的版本也通過了 AEC-Q101 認證，適用于汽車應(yīng)用。該組件采用 SOT23-6 表面貼裝封裝，可最大限度地減少印刷電路板空間的消耗。4 通道 TVS 二極管陣列芯片提供必要的保護，同時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：

• 吸收高達 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 有助于符合EMC 標準，例如 IEC 61000-4-2。此外，MLV 采用緊湊型 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需要過流和電壓瞬變保護。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器。

快速熔斷保險絲提供：

• 300% 過載時的快速跳閘時間為 0.2 秒
• 0.25 至 5 A 的低電流保險絲額定值
• 電流中斷額定值高達 35 A，電壓額定值高達 32 V

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 和其他瞬態(tài)的影響。如前所述，該組件具有 AEC-Q101 認證。

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，保護交流電路需要一個用于過流保護的保險絲和一個用于過壓保護的 MOV。某些應(yīng)用還可能考慮其他技術(shù)，例如 TVS 二極管、SIDACtor 或 GDT。（有關(guān)此主題的進一步討論可以在IEC 62368-1 參考文檔中找到。）

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體保險絲。慢熔保險絲將防止由于交流線路上的感應(yīng)電流浪涌而斷開。這種保險絲的其他特點是：

• 額定電流從低至 10 mA 至最大 30 A
• 額定電壓為 250 VAC 及更高
• 120 VAC 電路的電流中斷額定值高達 10 kA

這些熔斷器是 UL 和 CSA 組件認可的標準機構(gòu)，可快速、簡化地批準。

在 AC-DC 電源的輸入端具有強大功率處理能力的 MOV 將安全地吸收可以在 AC 線路上傳播的瞬變，并將有害瞬變排除在電源電路之外。尋找可承受高達 10 kA 峰值脈沖電流或 400 J 脈沖能量的 MOV。還可以考慮一種堅固耐用的 MOV，它可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，例如 -55 至 125° C。與保險絲一樣，確保 MOV 是 UL 或 CSA 組件認可的。

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端的 MOV。該組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 的溫度下運行。MOV 可為電源電路提供良好的長期可靠性。

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，以及接地線上的氣體放電管（參見圖 6B）。氣體放電管可以承受高達 20 kA 的電流浪涌，并在浪涌發(fā)生時保護電路不會浮動到高于地面的危險水平。絕緣電阻為 10 GΩ，氣體放電管在正常工作時消耗小于 10 nA。

包含功率因數(shù)校正電路的直流電源應(yīng)該有一個串聯(lián)的保險絲和一個并聯(lián)的 MOV，用于過流和過壓保護。參見圖 6C?？紤]使用慢熔保險絲，以避免由于開關(guān)電源的啟動電流浪涌而導致保險絲斷開。提供額定值為 10 至 30 A 的慢熔陶瓷保險絲，在 500 V 直流電壓下的分斷額定值為 20 kA DC。這些保險絲的版本采用 6.3 mm x 32 mm 封裝，占用的空間極小。對于 12/24 V 和 48 V DC 電路，建議使用相同類型的 MOV。

保護便攜式設(shè)備中的直流電源還有一些額外的考慮。仍然需要過流和過壓保護；但是，您還應(yīng)該考慮聚合物正溫度系數(shù) (PPTC)、自恢復保險絲。參見圖 6D。PPTC 保險絲提供了在發(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)十到數(shù)百毫歐 (mΩ) 之間，并且具有不到 5 秒的快速跳閘時間。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 齊納二極管可提供電路保護，免受 ±30 kV 的大型穿透式或直接接觸 ESD 沖擊。還，

直流電源的輸出也應(yīng)該有適當?shù)谋Ｗo。如圖 7 所示，TVS 二極管將通過將瞬變鉗位到低電壓來保護敏感的下游電路。這些 TVS 二極管提供單向或雙向型號。

圖 7.用于保護直流電源電路輸出的推薦組件

受保護的端口是健壯、可靠的端口

您可以通過將保護組件集成到您的設(shè)計中來開發(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。提供多種保護組件。為了減輕組件選擇的任務(wù)和時間，請利用制造商的專業(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您完成適用于您正在開發(fā)的產(chǎn)品的眾多標準。一些制造商提供測試功能——既可以驗證您的設(shè)計防止過載的性能，也可以根據(jù)適當?shù)膰液蛧H標準執(zhí)行預一致性測試。