通訊接口防護(hù)電路設(shè)計(jì)

第第頁通訊接口防護(hù)電路設(shè)計(jì)一、防護(hù)的必要性

通訊接口(例如（USB）、（UART）、（HDMI）、RJ45、VGA等)是設(shè)備的對外端口，除了裸露在外，還會(huì)有頻繁插撥的操作，而這都會(huì)給接口或設(shè)備帶來風(fēng)險(xiǎn)，有些風(fēng)險(xiǎn)一旦出現(xiàn)，是不可恢復(fù)的，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)傳輸或設(shè)備的功能，因此，對此類接口進(jìn)行的防護(hù)設(shè)計(jì)必不可少。

首先，我們需要明確通訊接口可能面對的風(fēng)險(xiǎn)，然后才能有目的地采取措施，下面先統(tǒng)計(jì)一下通訊接口可能面對的風(fēng)險(xiǎn)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(shí)間很快，下降的時(shí)間略慢，這個(gè)過程中極大的可能會(huì)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(yù)期的損壞或功能尚失。

2.靜電

靜電是處于不同電位的兩個(gè)物體相互接觸瞬間，靜電電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，形成了靜電放電過程。其實(shí)電荷轉(zhuǎn)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(gè)放電過程是個(gè)比較隨機(jī)的過程，放電電壓很高，通常都能達(dá)到上千伏，另外，放電持續(xù)時(shí)間較短，幾百納秒級。

3.（高壓）

有一些設(shè)備要求通訊接口在短時(shí)間內(nèi)能夠承受市電電壓，考慮到設(shè)備所處的環(huán)境，現(xiàn)場（維修）或施工時(shí)，誤操作或不小心將市電搭在通訊口等情況出現(xiàn)時(shí)，不會(huì)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(shí)的電壓超出很多。

二、常用防護(hù)器件

1.壓敏電阻

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

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(jìn)行防護(hù)外，還可以實(shí)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(xiàng)要求。

2.放電管

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

3.TVS

全稱是TransientVoltage

Suppressor，也叫瞬態(tài)抑制（二極管），是常用的一種防護(hù)器件，它的響應(yīng)速度很快，具有較強(qiáng)的浪涌吸收能力;當(dāng)有較強(qiáng)的高能量出現(xiàn)時(shí)，它的工作阻抗會(huì)迅速降到很低的數(shù)值，把大的過載能量導(dǎo)通，從而保護(hù)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(shí)，壓敏電阻在低壓時(shí)有略大的漏電流，而TVS沒有;保護(hù)作用時(shí)，TVS鉗位電壓值的一致性較好;TVS的響應(yīng)速度比壓敏電壓快;TVS的壽命高于壓敏電阻。

4.保險(xiǎn)絲

電流異常升高到一定的高度和熱度的時(shí)候，自身熔斷切斷電流，從而起到（保護(hù)電路）安全運(yùn)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(shí)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(hù)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(hù)。

三、基于（RS）232接口的一種實(shí)用防護(hù)設(shè)計(jì)

本章介紹一種簡單卻實(shí)用性很好的一種串口防護(hù)電路，在各種儀表儀器中得到了大量的應(yīng)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(shè)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(shí)際應(yīng)用可以選擇不同型號;無論是J2或J3，最終這兩個(gè)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(gè)固定孔，J1的這兩個(gè)引腳也是外殼地。

D1D2采用TVS，當(dāng)通訊線出現(xiàn)浪涌和靜電時(shí)，TVS導(dǎo)通對電路進(jìn)行保護(hù)。在（PCB）布局時(shí)TVS越接近接口入口處越好，這樣在浪涌或靜電出現(xiàn)時(shí)，將其在遠(yuǎn)離被保護(hù)器件之處將其導(dǎo)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(dāng)出現(xiàn)異常電流增大的情況時(shí)，溫度升高，阻值增大，對電流起到限制作用，進(jìn)而保護(hù)了電子器件，當(dāng)故障除排后，溫度下降，阻值也會(huì)恢復(fù)。

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(guān)于此種處理還有以下原因：

①外接端口地與設(shè)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(shí)，形成回路就可以形成瞬時(shí)電流，有時(shí)瞬間產(chǎn)生的電壓很高，會(huì)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(shí)會(huì)通過地進(jìn)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(shè)備內(nèi)部地與外殼、設(shè)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(shè)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(huì)分開。并不是所有的地都能直接相連，