通訊接口防護電路設計

一、防護的必要性

通訊接口(例如USB、UART、HDMI、RJ45、VGA等)是設備的對外端口，除了裸露在外，還會有頻繁插撥的操作，而這都會給接口或設備帶來風險，有些風險一旦出現(xiàn)，是不可恢復的，進而影響數(shù)據(jù)傳輸或設備的功能，因此，對此類接口進行的防護設計必不可少。

首先，我們需要明確通訊接口可能面對的風險，然后才能有目的地采取措施，下面先統(tǒng)計一下通訊接口可能面對的風險有哪些。

1. 浪涌

浪涌是指電壓或電流出現(xiàn)了快速增加，且超出正常工作電壓或電流數(shù)倍的數(shù)值，通常它的上升時間很快，下降的時間略慢，這個過程中極大的可能會超出電路中電子器件的絕對最大參數(shù)，對電子器件或產(chǎn)品功能造成非預期的損壞或功能尚失。

2. 靜電

靜電是處于不同電位的兩個物體相互接觸瞬間，靜電電荷發(fā)生轉移，形成了靜電放電過程。 其實電荷轉移的方式有多種，在接口處形成的放電更多情況屬于接觸放電。

這個放電過程是個比較隨機的過程，放電電壓很高，通常都能達到上千伏，另外，放電持續(xù)時間較短，幾百納秒級。

3. 高壓

有一些設備要求通訊接口在短時間內(nèi)能夠承受市電電壓，考慮到設備所處的環(huán)境，現(xiàn)場維修或施工時，誤操作或不小心將市電搭在通訊口等情況出現(xiàn)時，不會造成通訊部分損壞。

4. 沖擊

是指雷電過電壓，及其它過電壓作用到接口上，這些都比正常工作時的電壓超出很多。

二、常用防護器件

1. 壓敏電阻

壓敏電阻有伏安非線性的特點，當加在兩端的電壓低于某一域值時，流過的電流很小(漏電流)，當加到兩端的電壓高于這一域值時，流過其電流很大; 利用這一特點，將其安裝在接口入口處，當過電壓從入口引入時，壓敏電阻會發(fā)生動作，將電壓鉗位到一個安全數(shù)值，使危險終止于此，而不通往后級，實現(xiàn)了對后級電路的保護。

通常在市電入口的電路中，壓敏電阻是不可缺少的，除了對過壓進行防護外，還可以實現(xiàn)抗雷擊，另外，壓敏電阻也是產(chǎn)品的安規(guī)測試的一項要求。

2. 放電管

放電管也是一種過壓和雷擊防護器件，只是由于它的導通需要電離，因此響應時間較慢;它的擊穿電壓很高，且一致性差，每次動作后，性能會有所下降。一般放電管作為第一級的保護器件，與其它級保護器件配合共同實現(xiàn)可靠的防護功能。

3. TVS

全稱是Transient Voltage
Suppressor，也叫瞬態(tài)抑制二極管，是常用的一種防護器件，它的響應速度很快，具有較強的浪涌吸收能力;當有較強的高能量出現(xiàn)時，它的工作阻抗會迅速降到很低的數(shù)值，把大的過載能量導通，從而保護了后級的電路。

TVS與壓敏電壓相比：壓敏電阻能夠承受比TVS更大的電流;在低壓時，壓敏電阻在低壓時有略大的漏電流，而TVS沒有;保護作用時，TVS鉗位電壓值的一致性較好;TVS的響應速度比壓敏電壓快;TVS的壽命高于壓敏電阻。

4. 保險絲

電流異常升高到一定的高度和熱度的時候，自身熔斷切斷電流，從而起到保護電路安全運行的作用。

5. 光耦

光耦是利用光作為媒介來傳輸電信號的器件，這種特性使得輸入端與輸出端實現(xiàn)了電氣隔離，這樣使兩部分電路沒有電氣連接，從而起到了保護作用。

6. PTC

是一種正溫度系數(shù)的熱敏電阻，溫度越高阻值越大，一般串在電路中，用于過流保護。

三、基于RS232接口的一種實用防護設計

本章介紹一種簡單卻實用性很好的一種串口防護電路，在各種儀表儀器中得到了大量的應用。原理如下圖所示：

圖中：J1是儀器對外的DB9接口，用于與PC或其它設備連接;J2是內(nèi)部的DB9，用于與儀器內(nèi)部其它電路板卡連接;J3與J2作用相同，根據(jù)實際應用可以選擇不同型號;無論是J2或J3，最終這兩個接插件的TX、RX、GND信號都連到了內(nèi)部通訊芯片上(例MAX3232);DB9的引腳10和11是插座的兩個固定孔，J1的這兩個引腳也是外殼地。

D1D2采用TVS，當通訊線出現(xiàn)浪涌和靜電時，TVS導通對電路進行保護。在PCB布局時TVS越接近接口入口處越好，這樣在浪涌或靜電出現(xiàn)時，將其在遠離被保護器件之處將其導入到地層，不旦保證了通訊線的干凈，還避免了一些寄生因素的影響。

R1R2使用PTC，在正常情況下，阻值很小，損耗可忽略，對電路沒有影響，但當出現(xiàn)異常電流增大的情況時，溫度升高，阻值增大，對電流起到限制作用，進而保護了電子器件，當故障除排后，溫度下降，阻值也會恢復。

C1/R3并聯(lián)，跨接在儀器內(nèi)部電路地GND與外部地EGND之間，電容作用是吸收電壓尖峰，防止兩端的電壓突變，電阻志到阻尼作用，消耗過載能量，且吸收電容的電能。關于此種處理還有以下原因：

①外接端口地與設備外殼連到一起，容易積累靜電電荷，一旦發(fā)生接口插拔操作時，形成回路就可以形成瞬時電流，有時瞬間產(chǎn)生的電壓很高，會發(fā)生火花現(xiàn)象，所以不能把對外接口DB9的地與信號地直接相連，否則靜電產(chǎn)生時會通過地進入內(nèi)部電路，損壞芯片。此處C1/R3并聯(lián)就是為了減小這種影響。

②設備內(nèi)部地與外殼、設備的電源地要采用不同的接地系統(tǒng)，內(nèi)部地一般為電路中數(shù)字或模擬信號，工作電壓較小，而設備的電源一般是在AC220左右，為了確保避免漏電和干擾，一般這兩種地會分開。并不是所有的地都能直接相連，設備中各種地的連接是一種大學問，存在很多的說法，各有優(yōu)缺點，關于此我們會在后續(xù)的內(nèi)容中作為專題。