這是“保護(hù)您的端口！”中的第三篇文章。通信接口保護(hù)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(hù)方案。此外，討論將擴(kuò)展到電源線頻率和直流，以介紹交流和直流電源的保護(hù)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(guò)電流條件和電壓瞬變的影響。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(hù)方法來(lái)保護(hù)電路。本文提供了保護(hù)這些接口和為其供電的電源的建議。

保護(hù)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(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員只需要一個(gè)組件即可為左側(cè)輸出和右側(cè)輸出提供保護(hù)。

圖 1.音視頻接口端口瞬態(tài)電壓保護(hù)

建議使用由一對(duì)背對(duì)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(hù)的雙向二極管陣列對(duì)

TVS 二極管陣列的優(yōu)點(diǎn)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(duì) 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(jì)
• 6 pF 的最大電容以確保保護(hù)二極管對(duì)傳輸信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車市場(chǎng)。AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)是指組件必須滿足的一系列壓力測(cè)試才能被歸類為汽車級(jí)組件。這些 TVS 二極管陣列采用 SC70-3 表面貼裝封裝。因此，一個(gè)小的表面貼裝封裝可以幫助為音頻線創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)大的端口。

保護(hù)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(gè)帶有四個(gè)輸出線的模擬視頻端口：Y、C、視頻和 RF。單個(gè)組件可為視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供必要的保護(hù)。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.具有齊納二極管保護(hù)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(dá) 40 A 電快速瞬變
• 高達(dá) ±15 kV 的空氣和 ±10 kV 的直接接觸 ESD 保護(hù)
• 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(hù)組件的版本也通過(guò)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(hù)，同時(shí)對(duì)視頻信號(hào)的影響最小。

保護(hù)鍵盤端口

鍵盤是眾多工業(yè)和消費(fèi)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(hù)方案

激活需要直接接觸，這可能會(huì)將 ESD 引入鍵盤電路。對(duì)于鍵盤線路，請(qǐng)考慮使用多層壓敏電阻 (MLV)。MLV 提供高水平的保護(hù)：

• 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 有助于符合EMC 標(biāo)準(zhǔn)，例如 IEC 61000-4-2。此外，MLV 采用緊湊型 0402 表面貼裝封裝。

保護(hù)電池組控制端口

電池組供電，因此控制器IC需要過(guò)流和電壓瞬變保護(hù)。圖 4B 顯示了電池信號(hào)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(guò)流保護(hù)的快速熔斷器。

快速熔斷保險(xiǎn)絲提供：

• 300% 過(guò)載時(shí)的快速跳閘時(shí)間為 0.2 秒
• 0.25 至 5 A 的低電流保險(xiǎn)絲額定值
• 電流中斷額定值高達(dá) 35 A，電壓額定值高達(dá) 32 V

對(duì)于瞬態(tài)電壓保護(hù)，TVS 二極管陣列，例如 4 通道芯片（推薦用于保護(hù)視頻接口的端口），將保護(hù)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(rèn)證。

電源電路保護(hù)

電源電路會(huì)受到源自交流電源線的過(guò)流和過(guò)壓瞬變的影響。因此，保護(hù)交流電路需要一個(gè)用于過(guò)流保護(hù)的保險(xiǎn)絲和一個(gè)用于過(guò)壓保護(hù)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(jìn)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(hù)網(wǎng)絡(luò)。

圖 5.交流輸入推薦保護(hù)

對(duì)于 AC-DC 電源，請(qǐng)考慮使用慢熔玻璃體保險(xiǎn)絲。慢熔保險(xiǎn)絲將防止由于交流線路上的感應(yīng)電流浪涌而斷開(kāi)。這種保險(xiǎn)絲的其他特點(diǎn)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(dá) 10 kA

這些熔斷器是 UL 和 CSA 組件認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，可快速、簡(jiǎn)化地批準(zhǔn)。

在 AC-DC 電源的輸入端具有強(qiáng)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(dá) 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(jiān)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(xiǎn)絲一樣，確保 MOV 是 UL 或 CSA 組件認(rèn)可的。

保護(hù)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(hù)方案。每種類型的電路都有不同的建議。

為保護(hù) 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(hù)電路免受高達(dá) 10 kA 的峰值浪涌影響，并可在高達(dá) 125° C 的溫度下運(yùn)行。MOV 可為電源電路提供良好的長(zhǎng)期可靠性。

圖 6.各種直流電源輸入的推薦保護(hù)配置

對(duì)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(jiàn)圖 6B）。氣體放電管可以承受高達(dá) 20 kA 的電流浪涌，并在浪涌發(fā)生時(shí)保護(hù)電路不會(huì)浮動(dòng)到高于地面的危險(xiǎn)水平。絕緣電阻為 10 GΩ，氣體放電管在正常工作時(shí)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(gè)串聯(lián)的保險(xiǎn)絲和一個(gè)并聯(lián)的 MOV，用于過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)。參見(jiàn)圖 6C。考慮使用慢熔保險(xiǎn)絲，以避免由于開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)電流浪涌而導(dǎo)致保險(xiǎn)絲斷開(kāi)。提供額定值為 10 至 30 A 的慢熔陶瓷保險(xiǎn)絲，在 500 V 直流電壓下的分?jǐn)囝~定值為 20 kA DC。這些保險(xiǎn)絲的版本采用 6.3 mm x 32 mm 封裝，占用的空間極小。對(duì)于 12/24 V 和 48 V DC 電路，建議使用相同類型的 MOV。

保護(hù)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(guò)流和過(guò)壓保護(hù)；但是，您還應(yīng)該考慮聚合物正溫度系數(shù) (PPTC)、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。參見(jiàn)圖 6D。PPTC 保險(xiǎn)絲提供了在發(fā)生過(guò)流情況時(shí)不必更換保險(xiǎn)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(shí)間。PPTC 保險(xiǎn)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(lái)代替 MOV，用于直流電路的過(guò)壓保護(hù)。TVS 齊納二極管可提供電路保護(hù)，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(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。如圖 7 所示，TVS 二極管將通過(guò)將瞬變鉗位到低電壓來(lái)保護(hù)敏感的下游電路。這些 TVS 二極管提供單向或雙向型號(hào)。

圖 7.用于保護(hù)直流電源電路輸出的推薦組件

受保護(hù)的端口是健壯、可靠的端口

您可以通過(guò)將保護(hù)組件集成到您的設(shè)計(jì)中來(lái)開(kāi)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(jiǎn)單。提供多種保護(hù)組件。為了減輕組件選擇的任務(wù)和時(shí)間，請(qǐng)利用制造商的專業(yè)知識(shí)。制造商的應(yīng)用工程師可以幫助您選擇組件并指導(dǎo)您完成適用于您正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品的眾多標(biāo)準(zhǔn)。一些制造商提供測(cè)試功能——既可以驗(yàn)證您的設(shè)計(jì)防止過(guò)載的性能，也可以根據(jù)適當(dāng)?shù)膰?guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行預(yù)一致性測(cè)試。