在此安裝的“保護您的端口！ 保持通信連接的重要設計技巧“系列中，我們將討論低速接口和電源電路（包括音頻/視頻端口、直流電源等）以及如何保護它們的各種方法。

這是“保護您的端口！ ”系列中關于保護通信接口的第三篇文章。 之前的文章已經討論了高數據速率接口，如以太網供電、USB、HDMI、DisplayPort和eSATA。 本文將介紹低速接口的保護方案。 此外，討論將擴展到電力線頻率和直流，以介紹交流和直流電源的保護方法。

本文討論的低速接口包括數字音頻、模擬視頻和鍵盤通信協議。 表 1 列出了這些接口的數據速率。

這些低速接口容易受到電壓瞬變的影響，特別是靜電放電（ESD）; 而電源容易受到電源線引起的過流條件和電壓瞬變的影響。 開發能夠承受瞬態沖擊的可靠接口電路需要使用保護方法來保護電路。 本文提供了有關保護這些接口及其供電電源的建議。

保護數字音頻端口

數字音頻電路中的音頻編解碼器（如圖1A框圖所示）容易受到快速瞬態浪涌和ESD沖擊的損壞。 幸運的是，設計人員只需要一個組件即可為左側輸出和右側輸出提供保護。

***圖1. *音頻和視頻接口端口的瞬態電壓保護

建議使用由一對背靠背齊納二極管組成的瞬態電壓抑制器（TVS）二極管陣列，如圖2所示。

***圖2. *雙向二極管陣列對，用于音頻電路的ESD保護

TVS二極管陣列的優點包括：

• 能夠從電快速瞬變中吸收高達 40 A 的電流
• 安全吸收高達 ±15 kV 的 ESD 沖擊
• 對低于 1 ns 的瞬態快速響應
• 0.5 μA 的低漏電流，在正常工作條件下消耗的功率可以忽略不計
• 最大電容為6 pF，以確保保護二極管對傳輸信號完整性的影響最小

此外，這些TVS二極管陣列的版本是 符合 AEC-Q101 汽車市場標準. AEC-Q101標準是指組件必須滿足的一系列壓力測試才能被歸類為汽車級組件。 這些TVS二極管陣列采用SC70-3表面貼裝封裝。 因此，一個小型表面貼裝封裝有助于為音頻線創建堅固的端口。

保護視頻端口

與音頻端口一樣，視頻端口容易受到ESD和其他瞬變的影響。圖1B顯示了一個模擬視頻端口及其四條輸出線：Y、C、視頻和RF。單個組件可以為視頻模數轉換器提供必要的保護。在這種情況下，推薦的元件是4通道TVS二極管陣列芯片，如圖3所示。

***圖3. *帶齊納二極管保護的 4 通道 TVS 二極管陣列

4通道TVS二極管陣列組件提供：

• 吸收而不損壞高達 40 A 的電快速瞬態
• 高達 ±15 kV 的空中和 ±10 kV 的直接接觸式 ESD 保護
• 典型漏電流低至 10 nA
• 典型引腳接地電容僅為極低的0.3 pF

此類保護組件的版本也通過了 AEC-Q101 認證，適用于汽車應用。該組件采用 SOT23-6 表面貼裝封裝，可最大限度地消耗印刷電路板空間。4通道TVS二極管陣列芯片提供必要的保護，對視頻信號的影響最小。

保護鍵盤端口

鍵盤是眾多工業和消費產品的數據輸入和控制設備。圖 4A 顯示了鍵盤端口的框圖。

***圖4. *鍵盤和電池組的保護方案

激活需要直接接觸，這可能會將ESD引入鍵盤電路。對于鍵盤線路，請考慮使用多層壓敏電阻 （MLV）。MLV 提供高水平的保護，具有以下功能：

• 吸收高達 500 A 的浪涌電流脈沖或 2.5 J 的浪涌能量
• ?40° C 至 125° C 的寬工作溫度范圍
• 廣泛的工作電壓范圍，低至 3.5 V

MLV 有助于實現合規性電磁兼容標準，如 IEC 61000-4-2.此外，MLV 還提供緊湊型 0402 表面貼裝封裝。

保護電池組控制端口

電池組供電，因此控制器IC需要過流和電壓瞬態保護。 圖4B顯示了電池信號和電池控制器IC的框圖。 由于電池提供直流電源，因此最好使用用于過流保護的快速熔斷保險絲。

快速熔斷保險絲提供：

• 0.2 s 快速跳閘時間，過載 300%
• 0.25 至 5 A 的低電流保險絲額定值
• 額定電壓高達 32 V 時，電流中斷額定值高達 35 A

對于瞬態電壓保護，TVS二極管陣列，例如4通道芯片（推薦用于保護視頻接口的端口），將保護控制器IC免受ESD和其他瞬變的影響。 如前所述，該組件具有AEC-Q101資格。

電源電路保護

電源電路會受到源自交流電源線的過流和過壓瞬變的影響。 因此，保護交流電路既需要用于過流保護的保險絲，也需要用于過壓保護的MOV。 一些應用還可能考慮其他技術，如TVS二極管、SIDACtor或GDT。 （有關此主題的進一步討論可在 IEC 62368-1 參考文檔.)

圖 5 顯示了建議的保護網絡。

***圖5. *交流輸入推薦保護

對于 AC-DC 電源，請考慮使用慢熔玻璃主體保險絲。 慢熔斷保險絲將防止由于交流線路上的感應電流浪涌而斷開。 此類保險絲的其他特點是：

• 額定電流從低 10 mA 到最大 30 A
• 額定電壓達 250 VAC 或更高
• 電流中斷額定值高達 10 kA，適用于 120 VAC 電路

這些保險絲是 UL 和 CSA 組件，可得到標準機構的快速和簡化批準。

在AC-DC電源輸入端具有較大功率處理能力的MOV將安全地吸收可在交流線路上傳播的瞬變，并將有害瞬變排除在電源電路之外。 尋找能夠承受高達 10 kA 峰值脈沖電流或 400 J 脈沖能量的 MOV。 還可以考慮在 ?55 至 125° C 等寬溫度范圍內工作的堅固型 MOV。 與保險絲一樣，請確保 MOV 已識別 UL 或 CSA 組件。

保護各種類型的直流電源

根據電路的電壓和應用，直流電源的輸入有不同的保護方案。 每種類型的電路都有不同的建議。

為保護 12 V 或 24 V 直流電源，建議使用 MOV 或 TVS 二極管（類似于之前建議用于交流輸入電源的二極管）。 圖 6A 顯示了直流電源輸入上的 MOV。 該組件將保護電路免受高達 10 kA 的峰值浪涌的影響，并且可以在高達 125°C 的溫度下運行。 MOV 為電源電路提供了良好的長期可靠性。

* 圖 6. 各種直流電源輸入的推薦保護配置*

對于更高電壓的直流電源，例如 48 VDC 電源，應在輸入端使用壓敏電阻或 TVS 二極管，接地線上的氣體放電管也應使用（參見圖 6B）。 氣體放電管可以承受高達20 kA的電流浪涌，并在發生浪涌時保護電路不會漂浮到地面以上的危險水平。 當絕緣電阻為 10 GΩ 時，氣體放電管在正常工作期間消耗的電流小于 10 nA。

包含功率因數校正電路的直流電源應具有串聯保險絲和并聯MOV，用于過流和過壓保護。 參見圖 6C。 考慮使用慢熔斷保險絲，以避免由于開關電源的啟動電流浪涌而導致保險絲斷開。 額定電流為 10 至 30 A 的慢熔斷陶瓷保險絲，在 500 V 直流電壓下具有 20 kA DC 的分斷額定值。 這些保險絲的版本采用 6.3 mm x 32 mm 封裝，占用空間極小。 建議對 12/24 V 和 48 V DC 電路使用相同類型的 MOV。

保護便攜式設備中的直流電源還有一些額外的注意事項。 仍然需要過流和過壓保護; 但是，您還應考慮聚合物正溫度系數 （PPTC）、可復位保險絲。 參見圖 6D。 PPTC 熔斷器提供了在發生過流情況時不必更換保險絲的便利。 它們具有低電阻，通常在數十至數百毫歐 （mΩ） 之間，快速跳閘時間不到 5 秒。 PPTC 保險絲采用 0402 表面貼裝封裝，可最大限度地減少小型便攜式設備的空間。 應考慮使用TVS二極管來代替MOV，用于直流電路的過壓保護。 TVS 齊納二極管提供電路保護，可抵御 ±30 kV 的大型空中或直接接觸 ESD 沖擊。 也 TVS 二極管可以安全地吸收高達 80 A 的雷擊電流。

直流電源的輸出也應具有適當的保護。 如圖7所示，TVS二極管通過將瞬變箝位至低電壓來保護敏感的下游電路。 這些TVS二極管有單向或雙向兩種型號。

***圖7. *保護直流電源電路輸出的推薦元件

受保護的端口是堅固、可靠的端口

您可以通過將保護組件納入您的設計來開發可靠且穩健的電路。 您不需要很多組件，組件配置也很簡單。 提供范圍廣泛的保護組件。 為了減輕元件選擇的任務和時間，可以利用制造商的專業知識。 制造商的應用工程師可以幫助您選擇組件，并指導您了解適用于您正在開發的產品的眾多標準。 一些制造商提供測試功能——既可以驗證設計的過載保護性能，也可以根據適當的國家和國際標準執行預一致性測試。 為您的設計提供的額外保護將降低您的保修成本并提高您公司在高質量產品方面的聲譽。