保护低速接口和电源电路的方法

本文将介绍低速接口的保护方案。此外，讨论将扩展到电源线频率和直流，以介绍交流和直流电源的保护方法。

本文讨论的低速接口包括数字音频、模拟视频和键盘通信协议。表 1 列出了这些接口的数据速率。

这些低速接口易受电压瞬变的影响，尤其是静电放电 （ESD）；而电源容易受到电源线感应过流情况和电压瞬变的影响。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。

保护数字音频端口

数字音频电路中的音频编解码器（如图 1A 的框图所示）容易受到快速瞬态浪涌和 ESD 冲击的损坏。幸运的是，设计人员只需要一个组件即可为左侧输出和右侧输出提供保护。

图 1.音频和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：

能够从电快速瞬变中吸收高达 40 A 的电流

安全吸收高达 ±15 kV 的 ESD 雷击

对 1 ns 以下瞬态的快速响应

0.5 µA 的低漏电流，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 TVS 二极管阵列的版本符合汽车市场的 AEC-Q101 标准。AEC-Q101 标准是指组件必须满足的一系列压力测试，才能被归类为汽车级组件。这些 TVS 二极管阵列采用 SC70-3 表面贴装封装。因此，一个小型的表面贴装封装可以帮助为音频线路创建一个坚固的端口。

保护视频端口

与音频端口一样，视频端口也容易受到 ESD 和其他瞬变的影响。图 1B 显示了一个带有四个输出线的模拟视频端口：Y、C、视频和 RF。单个组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 4 通道 TVS 二极管阵列芯片，如图 3 所示。

图 3.具有齐纳二极管保护的 4 通道 TVS 二极管阵列

4 通道 TVS 二极管阵列组件提供：

吸收高达 40 A 的电快速瞬变而不会损坏

高达 ±15 kV 的空气 ESD 保护和 ±10 kV 的直接接触

典型漏电流低至 10 nA

极低 0.3 pF 的典型引脚接地电容

此类保护组件的版本也通过了 AEC-Q101 认证，适用于汽车应用。该组件采用 SOT23-6 表面贴装封装，可最大限度地减少印刷电路板空间的消耗。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。

保护键盘端口

键盘是众多工业和消费产品的数据输入和控制设备。图 4A 显示了一个键盘端口的框图。

图 4.键盘和电池组的保护方案

激活需要直接接触，这会将 ESD 引入键盘电路。对于键盘线路，请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

-40° C 至 125° C 的宽工作温度范围

广泛的工作电压范围，低至 3.5 V

MLV 有助于符合EMC 标准，例如 IEC 61000-4-2。此外，MLV 还提供紧凑的 0402 表面贴装封装。

保护电池组控制端口

电池组供电，因此控制器 IC 需要过流和电压瞬变保护。图 4B 显示了电池信号和电池控制器 IC 的框图。由于电池提供直流电源，因此最好使用快速熔断保险丝进行过流保护。

快速熔断保险丝提供：

0.2 秒的快速跳闸时间到 300% 过载

0.25 至 5 A 的低电流保险丝额定值

额定电压高达 32 V 时电流中断额定值高达 35 A

对于瞬态电压保护，TVS 二极管阵列，例如 4 通道芯片（推荐用于保护视频接口的端口），将保护控制器 IC 免受 ESD 和其他瞬态的影响。如前所述，该组件具有 AEC-Q101 资格。

电源电路保护

电源电路会受到源自交流电源线的过流和过压瞬变的影响。因此，保护交流电路既需要用于过流保护的熔断器，也需要用于过压保护的 MOV。一些应用还可能考虑其他技术，例如 TVS 二极管、SIDACtor 或 GDT。（有关此主题的进一步讨论可在IEC 62368-1 参考文档中找到。）

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，请考虑使用慢熔玻璃体保险丝。慢熔保险丝将防止由于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：

额定电流从低 10 mA 到最大 30 A

额定电压为 250 VAC 或更高

120 VAC 电路的电流中断额定值高达 10 kA

这些保险丝是 UL 和 CSA 组件，可通过标准机构快速和简化的认证。

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 AC 线路上传播的瞬变，并将有害瞬变排除在电源电路之外。寻找能够承受高达 10 kA 峰值脉冲电流或 400 J 脉冲能量的 MOV。还要考虑一个坚固的 MOV，它可以在很宽的温度范围内工作，例如 -55 到 125°C。与保险丝一样，确保 MOV 是 UL 或 CSA 组件认可的。

保护各类直流电源

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

为保护 12 V 或 24 V DC 电源，建议使用 MOV 或 TVS 二极管（类似于之前建议的 AC 输入电源）。图 6A 显示了直流电源输入端的 MOV。该组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 可为电源电路提供良好的长期可靠性。

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，例如 48 VDC 电源，应在输入端使用压敏电阻或 TVS 二极管，在地线上也应使用气体放电管（参见图 6B）。气体放电管可以承受高达 20 kA 的电流浪涌，并在浪涌发生时保护电路免于浮动到地面以上的危险水平。绝缘电阻为 10 GΩ，气体放电管在正常工作期间消耗的电流小于 10 nA。

包含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，用于过流和过压保护。参见图 6C。考虑使用慢熔保险丝，以避免由于开关电源的启动电流浪涌而导致保险丝断开。额定电流为 10 至 30 A 的慢熔陶瓷保险丝可在 500 V 直流电压下的分断额定电流为 20 kA DC。这些保险丝的版本采用 6.3 mm x 32 mm 封装，占用空间极小。对于 12/24 V 和 48 V DC 电路，建议使用相同类型的 MOV。

保护便携式设备中的直流电源有一些额外的考虑。仍然需要过流和过压保护；但是，您还应该考虑使用聚合物正温度系数 （PPTC） 自恢复保险丝。参见图 6D。PPTC 保险丝提供了在发生过流情况时无需更换保险丝的便利。它们具有低电阻，通常为几十到几百毫欧 （mΩ），并且跳闸时间短于 5 秒。PPTC 保险丝采用 0402 表面贴装封装，可最大限度地减少小型便携式设备中的空间。应考虑使用 TVS 二极管代替 MOV，用于 DC 电路的过压保护。TVS 齐纳二极管提供电路保护，可抵御 ±30 kV 的大型空气穿透或直接接触 ESD 冲击。还，

直流电源的输出也应该有适当的保护。如图 7 所示，TVS 二极管将通过将瞬态钳位到低电压来保护敏感的下游电路。这些 TVS 二极管提供单向或双向型号。

图 7.用于保护直流电源电路输出的推荐组件

受保护的端口是强大、可靠的端口

您可以通过在您的设计中加入保护组件来开发可靠且稳健的电路。您不需要很多组件，并且组件配置很简单。有多种保护组件可供选择。为了简化组件选择所涉及的任务和时间，请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，并指导您完成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——既可以验证您的设计的过载保护性能，也可以根据相应的国家和国际标准执行预一致性测试。