端口设计中的保护电路

TsinghuaJoking 2020-09-22

在工程实践中,的确会碰到一些意想不到,奇奇怪怪,自己在实验室环境中打死也不会想到,或者想到也懒得解决的问题。根据墨菲定律(Murphy’s Law),“如果事情有变坏的可能,不管这种可能性有多小,它总会发生”。因此,在工程实践中,还是应该把能够想到的故障解决在萌芽当中。

记得在之前的博文 墨菲定律:都是温度惹的祸[1] 中提到电路的热稳定性影响的今年全国大学生智能汽车竞赛西部赛区部分队伍的声音信标作品,在室外比赛高气温比赛环境中,没有能够完成现场的比赛。

今天提到的是另外一个古老工程设计的例子,由于没有对电路对外端口保护设计得到,不仅造成现场调试过程中屡次造成核心主板的烧毁,同时也使得工程周期延长了。

▲ 老式电话机与现代手机

拨回旧时光[2] 博文中记录了我在去年最初了解到该仿古电话项目的内容:是利用现在网络技术对传统转盘电话机进行改造使其仍然具有基本的通话功能,人机界面仍然包括有转盘拨码、振铃、听筒受话等元素,而语音传输则采用网络数据传输的方式。它是为欧洲市场定制的产品。所需要解决的工程问题是 解决老式电话机中振铃高压交流信号(40 ~100V)的产生[3] 技术。


当时电话机其他的电路前面别人都已经设计调试完毕,只剩下电话振铃电路如何驱动。

电路板供电电源为12V。采用简单的BOOST电路获得大约的E=40V直流电压,然后通过桥电路驱动电话机振铃线圈,可以达到E×4/π,大约51V峰峰值的等效基频交流电,可以稳定驱动电话的振铃动作。

▲ 实际工作电路中的电路板

后来,仿古电话进行小批量生产的时候,问题随之而来。那就是对于不同的电话测试的时候,会出现随机烧毁核心电路板的问题。

此时,只能重新对之前别人设计的电路进行重新分析,原来故障的隐患就是来自于电路端口保护的缺失。在原来电路板与电话机引线接口中,大约有多组信号线,包括听筒、摘挂话机、振铃、拨码脉冲以及麦克风信号等。存在着一些信号直接连接核心板的IO口,但并没有进行端口信号保护。

在接口引线之间存在着很强的信号耦合,这就会使得那些直接连接核心MCU的IO的引线容易受到强信号的干扰和冲激。

▲ 电话接口线中的信号耦合

对于IO口保护通常采用RC滤波电路,可以衰减外部尖脉冲的冲激。对于变化比较快的开关信号,也可以采用二极管钳位的方式来吸收外部高电压的冲激。

下面介绍的一款用于电子线路端口保护的 二极管阵列SP4062[4] 集成了四个通道低寄生电容二极管,并配有附加的 齐纳(Zener)二极管[5] 可以保护容易受到损毁的电子线路IO端口。比如避免由于闪电引起的浪涌信号。该器件可以吸收高达20A的电流。SP4062适合用于高速信号管脚的保护。

▲ SP4062 外形

下图给出了基于SP4062对于以太网口接收芯片的Tx,Rx端口的保护示意图。从这里可以看出,一颗SP4062可以对四个IO端口进行保护。由于SP4062器件封装很小,将它嵌入到原来电路中则比较容易。

▲ 内部结构原理、管脚分布、基本应用

通过快速制版将表贴的SP4062芯片焊接在电路板上,可以简单对齐保护功能进行测试。

▲ 测量输入管脚稳压实验电路

下面是输入交流三角波形(蓝色波形),经过SP4062钳位之后,输出的电路波形(橙色波形)就被限制在-0.85V ~ 4.8V之内了。输入与输出信号波形如下图所示。

  • 输出的波形最大值:4.8975V
  • 输出的波形最小值:-0.8525V
▲ 输入与输出信号波形

SP4062集成于前面仿古电话机内部接口[6] 中,经过测试,解决了原来系统不稳定,总是烧毁核心处理板的故障。

▲ 焊接后的8通道IO保护板

通过这个设计,重新让我们对于系统设计细节重视起来。对于可能存在的故障不能够存有侥幸心理。良好设计就应该是防患于未然之中。

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TsinghuaJoking 这是一个公众号,它不端、不装,与你同游在课下、课上。 卓晴博士,清华大学中央主楼 626A。010-62773349, 13501115467,zhuoqing@tsinghua.edu.cn
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