在這個安裝“保護你的端口！“保持通信連接的最佳設(shè)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(shù)據(jù)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、數(shù)字鍵盤的低速通信協(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）；然而，電源易受電源線感應(yīng)過電流和電壓瞬變的影響。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。

數(shù)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(shè)計者只需要一個組件就可以為左側(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(yīng)

• 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-符合汽車市場要求. AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)指的是一系列的應(yīng)力測試，組件必須滿足這些測試才能被歸類為汽車級部件。這些電視二極管陣列在SC70-3表面貼裝封裝中提供。因此，一個小的，表面安裝包可以幫助創(chuàng)建一個強大的音頻線路端口。

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顯示了一個模擬視頻端口及其四條輸出線：Y、C、video和RF。單個元件可以為視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供必要的保護。在這種情況下，推薦的組件是一個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：

• 吸收無損傷高達40安培的電快速瞬變

• 通過空氣和直接接觸，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

這種類型的保護組件的版本也經(jīng)過AEC-Q101認證，可用于汽車應(yīng)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。

鍵盤是許多工業(yè)和消費品的數(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，這可能會在鍵盤電路上引入靜電放電。對于鍵盤線路，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有助于實現(xiàn)EMC標(biāo)準(zhǔn)，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電流保護是最好的。

快速熔斷保險絲提供：

• 300%過載時0.2秒的快速跳閘時間

• 0.25至5 A的低電流保險絲額定值

• 額定電壓高達32V時，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。

電源電路受到來自交流電源線的過電流和過電壓瞬變的影響。因此，保護交流電路需要一個用于過電流保護的保險絲和一個用于過壓保護的MOV。一些應(yīng)用還可以考慮其他技術(shù)，如TVS二極管、SIDACtors或GDTs(關(guān)于這個主題的進一步討論可以在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AC-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路上的感應(yīng)電流浪涌而斷開。這種保險絲的其他特點是：

• 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，通過標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的快速和簡化認證。

在AC-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。也可以考慮一個堅固的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組件識別的。

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

為了保護12 V或24 V直流電源，建議使用MOV或TVS二極管（類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(yīng)在輸入端使用變阻器或TVS二極管，以及接地線上的氣體放電管（見圖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，正常工作時的放電電流小于10na。

包括功率因數(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，用于過電流和過壓保護。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?？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因素。仍然需要過流和過壓保護；然而，你也應(yīng)該考慮一個聚合物正溫度系數(shù)（PPTC），可復(fù)位保險絲。見圖6D。PPTC保險絲提供了在發(fā)生過電流情況時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(shè)備的空間。代替MOV，應(yīng)考慮使用TVS二極管對直流電路進行過壓保護。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(yīng)該有適當(dāng)?shù)谋Ｗo。一個TVS二極管，如圖7所示，將通過將瞬態(tài)箝位到低電壓來保護敏感的下游電路。這些電視二極管有單向或雙向型號。

通過在設(shè)計中加入保護元件，您可以開發(fā)出可靠和可靠的電路。您不需要很多組件，組件配置也很簡單?？商峁┒喾N保護組件。為了簡化組件選擇的任務(wù)和時間，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)您通過適用于您正在開發(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)進行預(yù)合規(guī)性測試。對您的設(shè)計的附加保護將降低保修期內(nèi)的成本，并提高貴公司高質(zhì)量產(chǎn)品的聲譽。