端口設(shè)計(jì)中的保護(hù)電路

在工程實(shí)踐中，的確會碰到一些意想不到，奇奇怪怪，自己在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中打死也不會想到，或者想到也懶得解決的問題。根據(jù)墨菲定律(Murphy’s Law)，“如果事情有變壞的可能，不管這種可能性有多小，它總會發(fā)生”。因此，在工程實(shí)踐中，還是應(yīng)該把能夠想到的故障解決在萌芽當(dāng)中。

記得在之前的博文 墨菲定律：都是溫度惹的禍^[1] 中提到電路的熱穩(wěn)定性影響的今年全國大學(xué)生智能汽車競賽西部賽區(qū)部分隊(duì)伍的聲音信標(biāo)作品，在室外比賽高氣溫比賽環(huán)境中，沒有能夠完成現(xiàn)場的比賽。

今天提到的是另外一個(gè)古老工程設(shè)計(jì)的例子，由于沒有對電路對外端口保護(hù)設(shè)計(jì)得到，不僅造成現(xiàn)場調(diào)試過程中屢次造成核心主板的燒毀，同時(shí)也使得工程周期延長了。

在 撥回舊時(shí)光^[2] 博文中記錄了我在去年最初了解到該仿古電話項(xiàng)目的內(nèi)容：是利用現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤電話機(jī)進(jìn)行改造使其仍然具有基本的通話功能，人機(jī)界面仍然包括有轉(zhuǎn)盤撥碼、振鈴、聽筒受話等元素，而語音傳輸則采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健Ｋ菫闅W洲市場定制的產(chǎn)品。所需要解決的工程問題是 解決老式電話機(jī)中振鈴高壓交流信號（40 ~100V）的產(chǎn)生^[3] 技術(shù)。

當(dāng)時(shí)電話機(jī)其他的電路前面別人都已經(jīng)設(shè)計(jì)調(diào)試完畢，只剩下電話振鈴電路如何驅(qū)動。

電路板供電電源為12V。采用簡單的BOOST電路獲得大約的E=40V直流電壓，然后通過橋電路驅(qū)動電話機(jī)振鈴線圈，可以達(dá)到E×4/π，大約51V峰峰值的等效基頻交流電，可以穩(wěn)定驅(qū)動電話的振鈴動作。

后來，仿古電話進(jìn)行小批量生產(chǎn)的時(shí)候，問題隨之而來。那就是對于不同的電話測試的時(shí)候，會出現(xiàn)隨機(jī)燒毀核心電路板的問題。

此時(shí)，只能重新對之前別人設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行重新分析，原來故障的隱患就是來自于電路端口保護(hù)的缺失。在原來電路板與電話機(jī)引線接口中，大約有多組信號線，包括聽筒、摘掛話機(jī)、振鈴、撥碼脈沖以及麥克風(fēng)信號等。存在著一些信號直接連接核心板的IO口，但并沒有進(jìn)行端口信號保護(hù)。

在接口引線之間存在著很強(qiáng)的信號耦合，這就會使得那些直接連接核心MCU的IO的引線容易受到強(qiáng)信號的干擾和沖激。

對于IO口保護(hù)通常采用RC濾波電路，可以衰減外部尖脈沖的沖激。對于變化比較快的開關(guān)信號，也可以采用二極管鉗位的方式來吸收外部高電壓的沖激。

下面介紹的一款用于電子線路端口保護(hù)的 二極管陣列SP4062^[4] 集成了四個(gè)通道低寄生電容二極管，并配有附加的 齊納（Zener）二極管^[5] 可以保護(hù)容易受到損毀的電子線路IO端口。比如避免由于閃電引起的浪涌信號。該器件可以吸收高達(dá)20A的電流。SP4062適合用于高速信號管腳的保護(hù)。

下圖給出了基于SP4062對于以太網(wǎng)口接收芯片的Tx,Rx端口的保護(hù)示意圖。從這里可以看出，一顆SP4062可以對四個(gè)IO端口進(jìn)行保護(hù)。由于SP4062器件封裝很小，將它嵌入到原來電路中則比較容易。

通過快速制版將表貼的SP4062芯片焊接在電路板上，可以簡單對齊保護(hù)功能進(jìn)行測試。

下面是輸入交流三角波形（藍(lán)色波形），經(jīng)過SP4062鉗位之后，輸出的電路波形（橙色波形）就被限制在-0.85V ~ 4.8V之內(nèi)了。輸入與輸出信號波形如下圖所示。

• 輸出的波形最大值：4.8975V
• 輸出的波形最小值：-0.8525V

將 SP4062集成于前面仿古電話機(jī)內(nèi)部接口^[6] 中，經(jīng)過測試，解決了原來系統(tǒng)不穩(wěn)定，總是燒毀核心處理板的故障。

通過這個(gè)設(shè)計(jì)，重新讓我們對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)重視起來。對于可能存在的故障不能夠存有僥幸心理。良好設(shè)計(jì)就應(yīng)該是防患于未然之中。

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