简述保护低速接口和电源电路设计技巧

这是“保护您的端口！”中的第三篇文章。通信接口保护系列。之前的文章讨论了 高数据速率接口，]()** 例如以太网供电、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。

这些低速接口容易受到电压瞬变的影响，尤其是静电放电 (ESD)；而电源易受电力线感应过电流条件和电压瞬变的影响。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.音视频接口端口瞬态电压保护

建议使用由一对背对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 冲击
• 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
• 6 pF 的最大电容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 AEC-Q101 标准，适用于汽车市场。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，一个小的表面贴装封装可以帮助为音频线创建一个强大的端口。

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.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：

• 吸收不损坏高达 40 A 电快速瞬变
• 高达 ±15 kV 的空气和 ±10 kV 的直接接触 ESD 保护
• 典型漏电流低至 10 nA
• 极低的 0.3 pF 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，同时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 采用紧凑型 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，因此最好使用用于过流保护的快速熔断器。

快速熔断保险丝提供：

• 300% 过载时的快速跳闸时间为 0.2 秒
• 0.25 至 5 A 的低电流保险丝额定值
• 电流中断额定值高达 35 A，电压额定值高达 32 V

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 认证。

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，保护交流电路需要一个用于过流保护的保险丝和一个用于过压保护的 MOV。某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以在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：

• 额定电流从低至 10 mA 至最大 30 A
• 额定电压为 250 VAC 及更高
• 120 VAC 电路的电流中断额定值高达 10 kA

这些熔断器是 UL 和 CSA 组件认可的标准机构，可快速、简化地批准。

在 AC-DC 电源的输入端具有强大功率处理能力的 MOV 将安全地吸收可以在 AC 线路上传播的瞬变，并将有害瞬变排除在电源电路之外。寻找可承受高达 10 kA 峰值脉冲电流或 400 J 脉冲能量的 MOV。还可以考虑一种坚固耐用的 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 组件认可的。

保护各种类型的直流电源

根据电路的电压和应用，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 直流电源，建议使用 MOV 或 TVS 二极管（类似于之前建议用于交流输入电源的二极管）。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 的温度下运行。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，以及接地线上的气体放电管（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不会浮动到高于地面的危险水平。绝缘电阻为 10 GΩ，气体放电管在正常工作时消耗小于 10 nA。

包含功率因数校正电路的直流电源应该有一个串联的保险丝和一个并联的 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。提供额定值为 10 至 30 A 的慢熔陶瓷保险丝，在 500 V 直流电压下的分断额定值为 20 kA DC。这些保险丝的版本采用 6.3 mm x 32 mm 封装，占用的空间极小。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还有一些额外的考虑。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不必更换保险丝的便利。它们具有低电阻，通常在数十到数百毫欧 (mΩ) 之间，并且具有不到 5 秒的快速跳闸时间。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的空间。应考虑使用 TVS 二极管来代替 MOV，用于直流电路的过压保护。TVS 齐纳二极管可提供电路保护，免受 ±30 kV 的大型穿透式或直接接触 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 二极管将通过将瞬变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

受保护的端口是健壮、可靠的端口

您可以通过将保护组件集成到您的设计中来开发可靠且稳健的电路。您不需要很多组件，组件配置也很简单。提供多种保护组件。为了减轻组件选择的任务和时间，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防止过载的性能，也可以根据适当的国家和国际标准执行预一致性测试。