如何保护低速接口和电源电路

在这个安装“保护你的端口！“保持通信连接的最佳设计技巧”系列，我们将讨论低速接口和电源电路，包括音频/视频端口、直流电源等，以及如何保护它们的各种方法。

这是“保护你的港口”的第三篇文章通信接口保护系列。前面的文章讨论了高速数据接口，如以太网供电、USB、HDMI、DisplayPort和eSATA。本文将介绍低速接口的保护方案。此外，讨论将延伸到电源线频率和直流，以提出交流和直流电源的保护方法。

文中讨论了模拟键盘、数字键盘的低速通信协议。表1列出了这些接口的数据速率。

这些低速接口容易受到电压瞬变的影响，特别是静电放电（ESD）；然而，电源易受电源线感应过电流和电压瞬变的影响。开发能够承受瞬态冲击的可靠接口电路需要使用保护方法来保护电路。本文提供了保护这些接口和为其供电的电源的建议。

数字音频电路中的音频编****，如图1A方框图所示，容易受到快速瞬态浪涌和静电放电冲击的损坏。幸运的是，设计者只需要一个组件就可以为左侧输出和右侧输出提供保护。

图1音视频接口端口的瞬态电压保护

建议使用由一对背靠背齐纳二极管组成的瞬态电压抑制器（TVS）二极管阵列，如图2所示。

图2用于音频电路ESD保护的双向二极管阵列对

TVS二极管阵列的优点包括：

• 从电快速瞬变中吸收高达40A的能力

• 可安全吸收高达±15 kV的静电放电

• 对1ns以下瞬态的快速响应

• 0.5µA的低泄漏电流，在正常工作条件下消耗的功率可忽略不计

• 最大电容为6 pF，以确保保护二极管对传输信号完整性的影响最小

此外，这些电视二极管阵列的版本是AEC-Q101-符合汽车市场要求. AEC-Q101标准指的是一系列的应力测试，组件必须满足这些测试才能被归类为汽车级部件。这些电视二极管阵列在SC70-3表面贴装封装中提供。因此，一个小的，表面安装包可以帮助创建一个强大的音频线路端口。

与音频端口一样，视频端口易受ESD和其他瞬态的影响。图1B显示了一个模拟视频端口及其四条输出线：Y、C、video和RF。单个元件可以为视频模数转换器提供必要的保护。在这种情况下，推荐的组件是一个4通道TVS二极管阵列芯片，如图3所示。

图3带齐纳二极管保护的4通道TVS二极管阵列

4通道TVS二极管阵列组件提供：

• 吸收无损伤高达40安培的电快速瞬变

• 通过空气和直接接触，ESD保护高达±15 kV和±10 kV

• 典型泄漏电流低至10毫安

• 极低0.3 pF的典型引脚接地电容

这种类型的保护组件的版本也经过AEC-Q101认证，可用于汽车应用。该组件采用SOT23-6表面贴装封装，以最大限度地减少pc板的消耗。4通道TVS二极管阵列芯片提供必要的保护，对视频信号的影响最小。

键盘是许多工业和消费品的数据输入和控制设备。图4A显示了键盘端口的框图。

图4键盘和电池组的保护方案

激活需要直接接触，这可能会在键盘电路上引入静电放电。对于键盘线路，考虑使用多层压敏电阻（MLV）。MLV提供高水平的保护：

• 吸收高达500 a的浪涌电流脉冲或2.5 J的浪涌能量

• 宽工作温度范围−40°C至125°C

• 工作电压范围广，低至3.5伏

MLV有助于实现EMC标准，如IEC 61000-4-2. 此外，MLV还提供紧凑型0402表面安装包。

电池组提供电源，因此控制器IC需要过电流和电压瞬变保护。图4B显示了电池信号和电池控制器IC的框图。作为电池的直流电源，快速熔断保险丝的过电流保护是最好的。

快速熔断保险丝提供：

• 300%过载时0.2秒的快速跳闸时间

• 0.25至5 A的低电流保险丝额定值

• 额定电压高达32V时，电流中断额定值高达35A

对于瞬态电压保护，TVS二极管阵列，如4通道芯片（建议用于保护视频接口端口），将保护控制器IC免受ESD和其他瞬态的影响。如前所述，该部件具有AEC-Q101认证。

电源电路受到来自交流电源线的过电流和过电压瞬变的影响。因此，保护交流电路需要一个用于过电流保护的保险丝和一个用于过压保护的MOV。一些应用还可以考虑其他技术，如TVS二极管、SIDACtors或GDTs(关于这个主题的进一步讨论可以在IEC 62368-1参考文件 .)

图5显示了建议的保护网络。

图5交流输入推荐保护

对于AC-DC电源，考虑使用慢吹玻璃本体保险丝。慢熔断保险丝将防止因交流线路上的感应电流浪涌而断开。这种保险丝的其他特点是：

• 电流额定值从最低10毫安到最大30安

• 额定电压为250 VAC及以上

• 120伏交流电路的电流中断额定值高达10千安

这些保险丝是UL和CSA组件，通过标准机构的快速和简化认证。

在AC-DC电源输入端具有强大功率处理能力的MOV将安全地吸收可在交流线路上传播的瞬态，并将有害瞬态排除在电源电路之外。寻找一个MOV，它能承受高达10 kA的峰值脉冲电流或400 J的脉冲能量。也可以考虑一个坚固的MOV，它可以在很宽的温度范围内工作，例如−55至125°C。与保险丝一样，确保MOV是UL或CSA组件识别的。

根据电路电压和应用，直流电源输入有不同的保护方案。每种类型的电路都有不同的建议。

为了保护12 V或24 V直流电源，建议使用MOV或TVS二极管（类似于先前建议的交流输入电源）。图6A显示了直流电源输入端的MOV。该部件将保护电路免受高达10 kA的峰值浪涌影响，并可在高达125°C的温度下工作。MOV为电源电路提供了良好的长期可靠性。

图6各种直流电源输入的推荐保护配置

对于更高电压的直流电源，如48伏直流电源，应在输入端使用变阻器或TVS二极管，以及接地线上的气体放电管（见图6B）。气体放电管能承受高达20千安的电流浪涌，并在电涌发生时保护电路不浮到地面上的危险水平。气体放电管的绝缘电阻为10gΩ，正常工作时的放电电流小于10na。

包括功率因数校正电路的直流电源应具有串联保险丝和并联MOV，用于过电流和过压保护。见图6C。考虑使用慢熔断保险丝，以避免由于开关电源的启动电流浪涌而导致保险丝断开。可提供额定值为10至30 A的缓燃陶瓷熔断器，在500 V的直流电压下，中断额定值为20 kA DC。这些型号的保险丝采用6.3 mm×32 mm封装，占用最小空间。建议12/24 V和48 V直流电路使用相同类型的MOV。

保护便携式设备中的直流电源还有一些额外的考虑因素。仍然需要过流和过压保护；然而，你也应该考虑一个聚合物正温度系数（PPTC），可复位保险丝。见图6D。PPTC保险丝提供了在发生过电流情况时不必更换保险丝的便利。它们的电阻很低，通常在几十到几百毫欧姆（mΩ), 快速旅行时间小于5秒。PPTC保险丝采用0402表面安装封装，以尽量减少小型便携式设备的空间。代替MOV，应考虑使用TVS二极管对直流电路进行过压保护。TVS齐纳二极管提供电路保护，防止±30 kV的大通空气或直接接触ESD冲击。此外，电视二极管可以安全地吸收高达80安培的雷击。

你的直流电源的输出也应该有适当的保护。一个TVS二极管，如图7所示，将通过将瞬态箝位到低电压来保护敏感的下游电路。这些电视二极管有单向或双向型号。

通过在设计中加入保护元件，您可以开发出可靠和可靠的电路。您不需要很多组件，组件配置也很简单。可提供多种保护组件。为了简化组件选择的任务和时间，利用制造商的专业知识。制造商的应用工程师可以帮助您选择组件，并指导您通过适用于您正在开发的产品的众多标准。一些制造商提供测试功能，既可以验证设计的过载保护性能，也可以根据适当的国家和国际标准进行预合规性测试。对您的设计的附加保护将降低保修期内的成本，并提高贵公司高质量产品的声誉。