接口电路防护设计要点解析

一、接口电路是电路中与用户或者外界媒介进行交互的部分，是内部核心敏感电路和外部设备进行信息交互的桥梁。接口电路一般分为输入接口电路和输出接口电路两种。接口电路的防护设计就是为了隔离外部危险的信号，防止外部干扰信息进入系统内部核心敏感电路，从而造成内部电路的永久损坏。

二、接口电路的分类：电源接口、网络接口、外壳接口、串行通信接口、并行通信接口、下载电路接口等。

三、接口电路的防护处理包括：接口滤波、ESD防护、防雷防浪涌、防反接、缓启动、热拔插等。

1. 网络接口设计：

一般在PHY芯片和外部RJ45接插件之间都需要一个网口变压器和共模扼流圈。

网口变压器的作用：

(1)可以增强信号，使其传输距离更远。

(2)使PHY芯片与外部进行有效隔离，使其抗外部干扰能力增强(例如防雷击等)。

(3)当不同的PHY芯片的电平不匹配时(例如有的PHY芯片为2.5V，有的为3.3V)，起到电平匹配的作用。

网口变压器的中心抽头设计：与PHY芯片的类型有关，具体详见PHY芯片的datasheet。

(1)如果PHY芯片的驱动类型为电流驱动类型的，变压器的中芯抽头用一个0.1uF的电容接到GND即可。

(2)如果PHY芯片的驱动类型为电压驱动类型的，变压器的中芯抽头接到VCC即可。

2. 下载电路接口设计：

一般FPGA/ARM采用的程序下载接口都是JTAG接口。JTAG接口是经常使用的一类下载程序的接口，而且也是一类经常带电拔插的接口，而带电拔插会不可避免地产生一些静电或浪涌电流，因此如果不采取一些防护措施，极易因为ESD静电放射而击穿JTAG相关引脚，甚至损害CPU内部核心电路，从而造成内部电路的永久损坏。

如上图所示，采用钳位二极管对JTAG接口电路进行保护，一般钳位二极管采用肖基特二极管即可。当然JTAG下载器尽量不要带电拔插使用，做好断电后进行拔插操作，这样可以最大程度避免可能的损害发生。

3. CAN总线接口设计：

CAN总线接口外部电路通过一对差分信号线和CAN收发器进行数据通信，因此在应用的过程中，通讯电缆很容易耦合外部的干扰从而对信号的传输产生影响，严重的会通过CAN接口电路传输到系统内部核心敏感电路中去，从而造成EMI问题。

如上图所示，CAN接口防护器件主要包括：滤波电容、共模电感、跨接电容、TVS管。

滤波电容C1,C2用于给干扰提供低阻抗的回流路径，选取范围为22pF~1000pF，典型值为100pF。

共模电感L1用于滤除差分线上的共模干扰，阻抗选取范围为120欧/100MHz~2200欧/100MHz，典型值为600欧/100MHz。

跨接电容C3,C4用于接口地和数字地之间的隔离，典型值为1000pF/2KV。

TVS管D1,D2用于防护静电放射ESD或瞬间的高能量冲击，使其线路的电压钳位在一个预定的数值内，从而确保后面的电路器件免受瞬态高能量的冲击而损坏。(TVS管功能类似钳位二极管或压敏电阻)

4. 外壳接口设计：

如果设备外壳与大地接地良好，则PCB也应该与外壳进行良好的单点接地，这时PCB的干扰会通过外壳接地良好消除，对PCB也不会产生干扰。如果设备外壳没有良好接大地，则PCB地与外壳地也不必互连。常见的外壳地与PCB地的单点接地电路主要采用阻容电路相连。

(1)、从EMC角度考虑，电容C1是用来泄放干扰的，系统(PCB端)的高频干扰噪声汇聚到GND，并通过电容C1流到PGND，由于PGND与大地进行良好接触，因此干扰噪声得到有效抑制，改善了EMC问题。

(2)、从ESD角度考虑，电阻R1是为了应付静电放电测试用的。如果仅仅使用电容构成浮地系统，ESD测试产生的电荷无处释放，会逐渐积累，当累积到一定的程度便会在PGND和GND最薄弱处击穿放电，这样会在短时间内在PCB上产生较大电流，足以损坏PCB上的电路与器件。因此通过电阻R1去慢慢释放ESD产生的电荷，以消除PGND和GND之间的压差是很有用的。

5. 电源防反接技术：

在电源供电的场合，经常碰到电源极性反接的情况，以至于造成不可逆的后果。

(1)、硬件防反接技术：电源的接插件防反接等硬件机械处理。

(2)、二极管防反接技术：利用二极管的单向导电性特性，防止电源的反接，但是此电路在实际中并不常用。因为二极管会存在导通压降，造成输出电压降低，而且当电源电流过大时二极管消耗的功率较大，造成无用功耗的增加。

(3)、MOS管防反接技术：由于MOSFET具有极低的导通电阻，因此即使电流很大损耗也较小，非常适合以最低的损耗来实现电源的防反接处理。如下图所示，NMOS管在接地回路，PMOS管在电源路径。但是实际应用中使用PMOS管的更为常用，因为NMOS管在接地回路会对参考地平面产生影响甚至破坏接地回路，因此PMOS更为合适。另外需要注意的是，实际电路MOS管的栅极要串接限流电阻进行保护。