如何保护低速接口和电源电路

在此安装的“保护您的端口！ 保持通信连接的重要设计技巧“系列中，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“保护您的端口！ ”系列中关于保护通信接口的第三篇文章。 之前的文章已经讨论了高数据速率接口，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，讨论将扩展到电力线频率和直流，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，特别是静电放电（ESD）; 而电源容易受到电源线引起的过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。 本文提供了有关保护这些接口及其供电电源的建议。

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. *双向二极管阵列对，用于音频电路的ESD保护

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
• 对低于 1 ns 的瞬态快速响应
• 0.5 μA 的低漏电流，在正常工作条件下消耗的功率可以忽略不计
• 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二极管阵列的版本是 符合 AEC-Q101 汽车市场标准. 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，一个小型表面贴装封装有助于为音频线创建坚固的端口。

保护视频端口

与音频端口一样，视频端口容易受到ESD和其他瞬变的影响。图1B显示了一个模拟视频端口及其四条输出线：Y、C、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，推荐的元件是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：

• 吸收而不损坏高达 40 A 的电快速瞬态
• 高达 ±15 kV 的空中和 ±10 kV 的直接接触式 ESD 保护
• 典型漏电流低至 10 nA
• 典型引脚接地电容仅为极低的0.3 pF

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，可最大限度地消耗印刷电路板空间。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，具有以下功能：

• 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 有助于实现合规性电磁兼容标准，如 IEC 61000-4-2.此外，MLV 还提供紧凑型 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需要过流和电压瞬态保护。 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保险丝。

快速熔断保险丝提供：

• 0.2 s 快速跳闸时间，过载 300%
• 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和其他瞬变的影响。 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保险丝，也需要用于过压保护的MOV。 一些应用还可能考虑其他技术，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.)

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主体保险丝。 慢熔断保险丝将防止由于交流线路上的感应电流浪涌而断开。 此类保险丝的其他特点是：

• 额定电流从低 10 mA 到最大 30 A
• 额定电压达 250 VAC 或更高
• 电流中断额定值高达 10 kA，适用于 120 VAC 电路

这些保险丝是 UL 和 CSA 组件，可得到标准机构的快速和简化批准。

在AC-DC电源输入端具有较大功率处理能力的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。 还可以考虑在 −55 至 125° C 等宽温度范围内工作的坚固型 MOV。 与保险丝一样，请确保 MOV 已识别 UL 或 CSA 组件。

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上的 MOV。 该组件将保护电路免受高达 10 kA 的峰值浪涌的影响，并且可以在高达 125°C 的温度下运行。 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，例如 48 VDC 电源，应在输入端使用压敏电阻或 TVS 二极管，接地线上的气体放电管也应使用（参见图 6B）。 气体放电管可以承受高达20 kA的电流浪涌，并在发生浪涌时保护电路不会漂浮到地面以上的危险水平。 当绝缘电阻为 10 GΩ 时，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。 额定电流为 10 至 30 A 的慢熔断陶瓷保险丝，在 500 V 直流电压下具有 20 kA DC 的分断额定值。 这些保险丝的版本采用 6.3 mm x 32 mm 封装，占用空间极小。 建议对 12/24 V 和 48 V DC 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注意事项。 仍然需要过流和过压保护; 但是，您还应考虑聚合物正温度系数 （PPTC）、可复位保险丝。 参见图 6D。 PPTC 熔断器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，通常在数十至数百毫欧 （mΩ） 之间，快速跳闸时间不到 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 齐纳二极管提供电路保护，可抵御 ±30 kV 的大型空中或直接接触 ESD 冲击。 也 TVS 二极管可以安全地吸收高达 80 A 的雷击电流。

直流电源的输出也应具有适当的保护。 如图7所示，TVS二极管通过将瞬变箝位至低电压来保护敏感的下游电路。 这些TVS二极管有单向或双向两种型号。

***图7. *保护直流电源电路输出的推荐元件

受保护的端口是坚固、可靠的端口

您可以通过将保护组件纳入您的设计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。 提供范围广泛的保护组件。 为了减轻元件选择的任务和时间，可以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，并指导您了解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执行预一致性测试。 为您的设计提供的额外保护将降低您的保修成本并提高您公司在高质量产品方面的声誉。