通讯接口防护电路设计

一、防护的必要性

通讯接口(例如USB、UART、HDMI、RJ45、VGA等)是设备的对外端口，除了裸露在外，还会有频繁插拨的操作，而这都会给接口或设备带来风险，有些风险一旦出现，是不可恢复的，进而影响数据传输或设备的功能，因此，对此类接口进行的防护设计必不可少。

首先，我们需要明确通讯接口可能面对的风险，然后才能有目的地采取措施，下面先统计一下通讯接口可能面对的风险有哪些。

1. 浪涌

浪涌是指电压或电流出现了快速增加，且超出正常工作电压或电流数倍的数值，通常它的上升时间很快，下降的时间略慢，这个过程中极大的可能会超出电路中电子器件的绝对最大参数，对电子器件或产品功能造成非预期的损坏或功能尚失。

2. 静电

静电是处于不同电位的两个物体相互接触瞬间，静电电荷发生转移，形成了静电放电过程。 其实电荷转移的方式有多种，在接口处形成的放电更多情况属于接触放电。

这个放电过程是个比较随机的过程，放电电压很高，通常都能达到上千伏，另外，放电持续时间较短，几百纳秒级。

3. 高压

有一些设备要求通讯接口在短时间内能够承受市电电压，考虑到设备所处的环境，现场维修或施工时，误操作或不小心将市电搭在通讯口等情况出现时，不会造成通讯部分损坏。

4. 冲击

是指雷电过电压，及其它过电压作用到接口上，这些都比正常工作时的电压超出很多。

二、常用防护器件

1. 压敏电阻

压敏电阻有伏安非线性的特点，当加在两端的电压低于某一域值时，流过的电流很小(漏电流)，当加到两端的电压高于这一域值时，流过其电流很大; 利用这一特点，将其安装在接口入口处，当过电压从入口引入时，压敏电阻会发生动作，将电压钳位到一个安全数值，使危险终止于此，而不通往后级，实现了对后级电路的保护。

通常在市电入口的电路中，压敏电阻是不可缺少的，除了对过压进行防护外，还可以实现抗雷击，另外，压敏电阻也是产品的安规测试的一项要求。

2. 放电管

放电管也是一种过压和雷击防护器件，只是由于它的导通需要电离，因此响应时间较慢;它的击穿电压很高，且一致性差，每次动作后，性能会有所下降。一般放电管作为第一级的保护器件，与其它级保护器件配合共同实现可靠的防护功能。

3. TVS

全称是Transient Voltage
Suppressor，也叫瞬态抑制二极管，是常用的一种防护器件，它的响应速度很快，具有较强的浪涌吸收能力;当有较强的高能量出现时，它的工作阻抗会迅速降到很低的数值，把大的过载能量导通，从而保护了后级的电路。

TVS与压敏电压相比：压敏电阻能够承受比TVS更大的电流;在低压时，压敏电阻在低压时有略大的漏电流，而TVS没有;保护作用时，TVS钳位电压值的一致性较好;TVS的响应速度比压敏电压快;TVS的寿命高于压敏电阻。

4. 保险丝

电流异常升高到一定的高度和热度的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。

5. 光耦

光耦是利用光作为媒介来传输电信号的器件，这种特性使得输入端与输出端实现了电气隔离，这样使两部分电路没有电气连接，从而起到了保护作用。

6. PTC

是一种正温度系数的热敏电阻，温度越高阻值越大，一般串在电路中，用于过流保护。

三、基于RS232接口的一种实用防护设计

本章介绍一种简单却实用性很好的一种串口防护电路，在各种仪表仪器中得到了大量的应用。原理如下图所示：

图中：J1是仪器对外的DB9接口，用于与PC或其它设备连接;J2是内部的DB9，用于与仪器内部其它电路板卡连接;J3与J2作用相同，根据实际应用可以选择不同型号;无论是J2或J3，最终这两个接插件的TX、RX、GND信号都连到了内部通讯芯片上(例MAX3232);DB9的引脚10和11是插座的两个固定孔，J1的这两个引脚也是外壳地。

D1D2采用TVS，当通讯线出现浪涌和静电时，TVS导通对电路进行保护。在PCB布局时TVS越接近接口入口处越好，这样在浪涌或静电出现时，将其在远离被保护器件之处将其导入到地层，不旦保证了通讯线的干净，还避免了一些寄生因素的影响。

R1R2使用PTC，在正常情况下，阻值很小，损耗可忽略，对电路没有影响，但当出现异常电流增大的情况时，温度升高，阻值增大，对电流起到限制作用，进而保护了电子器件，当故障除排后，温度下降，阻值也会恢复。

C1/R3并联，跨接在仪器内部电路地GND与外部地EGND之间，电容作用是吸收电压尖峰，防止两端的电压突变，电阻志到阻尼作用，消耗过载能量，且吸收电容的电能。关于此种处理还有以下原因：

①外接端口地与设备外壳连到一起，容易积累静电电荷，一旦发生接口插拔操作时，形成回路就可以形成瞬时电流，有时瞬间产生的电压很高，会发生火花现象，所以不能把对外接口DB9的地与信号地直接相连，否则静电产生时会通过地进入内部电路，损坏芯片。此处C1/R3并联就是为了减小这种影响。

②设备内部地与外壳、设备的电源地要采用不同的接地系统，内部地一般为电路中数字或模拟信号，工作电压较小，而设备的电源一般是在AC220左右，为了确保避免漏电和干扰，一般这两种地会分开。并不是所有的地都能直接相连，设备中各种地的连接是一种大学问，存在很多的说法，各有优缺点，关于此我们会在后续的内容中作为专题。