保護低速通訊介面和電源電路
作者 : Todd Phillips，Littelfuse電子業務部全球市場經理
本文介紹低速介面的保護方案，並進一步討論到電源線頻率與DC電源，分享AC和DC電源的保護方法...
本文介紹低速介面的保護方案，並進一步討論到電源線頻率與直流(DC)，分享交流(AC)和DC電源的保護方法。
文中討論的低速通訊介面包括數位音訊、類比視訊和鍵盤通訊協定。表 1 列出這些介面的資料速率。
這些低速通訊介面易受電壓瞬變的影響，尤其是靜電放電(ESD)；同時，電源容易受到電源線感應過電流情況和電壓瞬變的影響。需要使用各種保護方法來保護電路，才能夠開發可承受瞬態衝擊的可靠介面電路。本文提供了保護這些介面和其電源的建議。
保護數位音訊埠
數位音訊電路中的音訊轉碼器(如圖 1A 的框圖所示)容易受到快速瞬態突波和ESD衝擊的損壞。所幸設計人員只需要一個元件即可為左側輸出和右側輸出提供保護。建議使用由一對背靠背齊納二極體組成的瞬態電壓抑制器(TVS)二極體陣列，如圖 2 所示。
圖 1：音訊和視訊介面埠的瞬態電壓保護。
TVS二極體陣列的優點包括：
- 能夠吸收高達40A的電場快速瞬變電流。
- 安全吸收高達± 15kV的ESD衝擊。
- 快速回應低於1ns的瞬態。
- 5µA的低洩漏電流，在正常工作條件下消耗的功率可以忽略不計。
- 最大電容為 6pF，確保保護二極體對傳輸訊號完整性的影響最小。
此外，這些TVS二極體陣列的各個版本符合汽車級AEC-Q101標準。 AEC-Q101 標準是指一個元件必須滿足一系列可靠性測試，才能歸類為汽車級元件。這些 TVS二極體陣列採用SC70-3表面黏著封裝，因此，一個小型的表面黏著封裝便可以幫助建立一個強大的音訊線埠。
圖 2：用於音訊電路ESD保護的雙向二極體陣列對。
保護視訊連接埠
與音訊埠一樣，視訊連接埠也容易受到ESD和其它瞬變的影響。圖 1B 顯示一個類比視訊連接埠，它有四個輸出線，Y、C、視訊和 RF。單個元件可以為視訊類比數位轉換器(ADC)提供必要的保護。在這種情況下，推薦的元件是4通道TVS二極體陣列晶片，如圖 3 所示。該元件提供：
- 吸收高達 40A的電場快速瞬變而不會損壞。
- 高達 ±15kV的空氣和 ±10kV的直接接觸ESD 保護。
- 典型洩漏電流低至10nA。
- 極低的3pF的典型接腳接地電容。
此類保護元件的各個版本也通過了AEC-Q101認證，適用於汽車應用。該元件採用 SOT23-6 表面黏著封裝，可最大限度地減少印刷電路板(PCB)空間的消耗。4通道TVS二極體陣列晶片提供必要的保護，對視訊訊號的影響最小。
圖 3：具有齊納二極體保護的4通道TVS二極體陣列。
保護鍵盤埠
鍵盤是眾多工業和消費產品的資料輸入和控制設備。圖 4A 顯示了一個鍵盤埠的方塊圖。操作需要直接接觸，這會將 ESD 引入鍵盤電路。對於鍵盤線路，請考慮使用多層壓敏電阻(MLV)。MLV提供以下高水準的保護：
- 吸收高達500A的突波電流脈衝或5J的突波能量
- -40°C至125°C的寬工作溫度範圍
- 低至5V的廣泛工作電壓範圍。
MLV有助於符合EMC標準，例如IEC 61000-4-2。此外，MLV還提供精巧的0402表面黏著封裝。
圖 4：鍵盤和電池組的保護方案。
保護電池組控制埠
電池組供電，因此控制器IC需要過電流和電壓瞬變保護。圖 4B 顯示電池訊號和電池控制器IC的方塊圖。由於電池提供DC電源，因此最好使用快速熔斷保險絲進行過電流保護。快速熔斷保險絲提供：
- 2 秒的快速熔斷時間到300%超載
- 25-5A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。
對於瞬態電壓保護，TVS二極體陣列(例如推薦用於保護視訊介面埠的4通道晶片)將保護控制器IC免受ESD和其它瞬態影響。如前所述，該元件具有AEC-Q101認證。
電源電路保護
電源電路會受到源自AC電源線的過電流和過電壓瞬變的影響。因此，保護AC電路既需要用於過電流保護的熔斷器，也需要用於過電壓保護的 MOV。一些應用還可以考慮其它技術，例如 TVS二極體、SIDACtor或 GDT。圖 5 顯示了建議的保護網路。對於AC-DC電源，請考慮使用慢熔玻璃體保險絲。慢熔保險絲將防止由於AC線路上的感應電流突波而斷開。這種保險絲的其它特點是：
- 額定電流從最低10mA到最大30A
- 額定電壓為250VAC或更高
- 120VAC電路的電流中斷額定值高達 10kA。
這些保險絲是UL和CSA元件，可通過標準機構快速和簡化的認證。
圖 5：AC輸入推薦保護。
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AC線路上傳播的瞬變，並將有害的瞬變排除在電源電路之外。尋找能夠承受高達 10kA 峰值脈衝電流或 400J脈衝能量的 MOV。還可以考慮可靠耐用的的 MOV，它可以在很寬的溫度範圍內運行，例如 -55至 +125°C。與保險絲一樣，確保 MOV得到UL或CSA的元件認可。
保護各類型DC電源
根據電路的電壓和應用，對DC電源的輸入有不同的保護方案。針對每種類型的電路，各有不同的建議。
圖 6：各種直流電源輸入的推薦保護配置。
保護12V或者24V DC電源，建議採用類似於交流輸入的MOV或TVS二極體。圖 6A 顯示了DC電源輸入端的MOV。該元件將保護電路免受高達10kA 的峰值突波影響，並可在高達 125°C 的溫度下工作。MOV可為電源電路提供良好的長期可靠性。
對於更高電壓的DC電源(例如48V DC電源)，應在輸入端使用壓敏電阻或 TVS二極體，並在接地線上使用氣體放電管，如圖 6B 所示。氣體放電管可以承受高達20kA的電流突波，並在突波發生時保護電路免於浮動到接地線以上的危險水準。絕緣電阻為10GΩ時，氣體放電管在正常工作期間引出的電流小於10nA 。
包含功率因數校正(PFC)電路的DC電源應具有串聯保險絲和並聯MOV，用於過電流和過電壓保護。參見圖 6C。考慮使用慢熔保險絲，以避免由於開關電源的啟動電流突波而導致保險絲斷開。額定電流為10–30A的慢熔陶瓷保險絲在500V DC電壓下的分斷額定電流為 20kA DC。這些保險絲的版本採用 6.3mm x 32mm封裝，佔用空間極小。對於12/24V 和48V DC電路，建議使用相同類型的 MOV。
保護可攜式裝置中的DC電源有一些額外的考慮。這仍然需要過電流和過電壓保護；但您還應該考慮使用聚合物正溫度係數(PPTC)自恢復保險絲。參見圖 6D。PPTC 保險絲提供了在發生過電流情況時無需更換保險絲的便利。它們具有通常在幾十到幾百毫歐姆(mΩ)範圍內的低電阻和低於5秒的快速動作時間。PPTC保險絲採用0402表面黏著封裝，可最大限度地減少小型可攜式裝置中的空間。應考慮使用TVS二極體代替MOV，用於DC電路的過電壓保護。TVS齊納二極體提供電路保護，可抵禦 ±30kV的大型空氣穿透或直接接觸ESD衝擊。此外，TVS二極體可以安全地吸收高達80A的雷擊電流。
DC電源的輸出也應該有適當的保護。如圖 7 所示，TVS二極體將通過將瞬態箝位元到低電壓來保護敏感的下游電路。這些TVS二極體提供單向或雙向兩種型號。
圖 7：用於保護DC電源電路輸出的推薦元件。
受保護的埠是強大、可靠的埠
透過在設計中加入保護元件，有助於開發可靠且耐用的電路。您不需要很多元件，而且元件配置也很簡單。有多種保護元件可供選擇。為了簡化元件選擇的工作和時間，請藉助製造商的專業知識，應用工程師可以幫助您選擇元件，並指導正在開發的產品通過眾多標準。
一些製造商還提供測試功能，既可以驗證設計的超載保護性能，也可以根據相應的國家和國際標準執行預合規性測試。為您的設計加添額外保護，有助於降低保修期內的成本，並提高產品品質與聲譽。
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