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接口电路的防护设计

 

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。

 

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