接口電路防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析

 一、接口電路是電路中與用戶或者外界媒介進(jìn)行交互的部分，是內(nèi)部核心敏感電路和外部設(shè)備進(jìn)行信息交互的橋梁。接口電路一般分為輸入接口電路和輸出接口電路兩種。接口電路的防護(hù)設(shè)計(jì)就是為了隔離外部危險(xiǎn)的信號，防止外部干擾信息進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部核心敏感電路，從而造成內(nèi)部電路的永久損壞。

二、接口電路的分類：電源接口、網(wǎng)絡(luò)接口、外殼接口、串行通信接口、并行通信接口、下載電路接口等。

三、接口電路的防護(hù)處理包括：接口濾波、ESD防護(hù)、防雷防浪涌、防反接、緩啟動、熱拔插等。

1. 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)：

一般在PHY芯片和外部RJ45接插件之間都需要一個(gè)網(wǎng)口變壓器和共模扼流圈。

網(wǎng)口變壓器的作用：

(1)可以增強(qiáng)信號，使其傳輸距離更遠(yuǎn)。

(2)使PHY芯片與外部進(jìn)行有效隔離，使其抗外部干擾能力增強(qiáng)(例如防雷擊等)。

(3)當(dāng)不同的PHY芯片的電平不匹配時(shí)(例如有的PHY芯片為2.5V，有的為3.3V)，起到電平匹配的作用。

網(wǎng)口變壓器的中心抽頭設(shè)計(jì)：與PHY芯片的類型有關(guān)，具體詳見PHY芯片的datasheet。

(1)如果PHY芯片的驅(qū)動類型為電流驅(qū)動類型的，變壓器的中芯抽頭用一個(gè)0.1uF的電容接到GND即可。

(2)如果PHY芯片的驅(qū)動類型為電壓驅(qū)動類型的，變壓器的中芯抽頭接到VCC即可。

2. 下載電路接口設(shè)計(jì)：

一般FPGA/ARM采用的程序下載接口都是JTAG接口。JTAG接口是經(jīng)常使用的一類下載程序的接口，而且也是一類經(jīng)常帶電拔插的接口，而帶電拔插會不可避免地產(chǎn)生一些靜電或浪涌電流，因此如果不采取一些防護(hù)措施，極易因?yàn)镋SD靜電放射而擊穿JTAG相關(guān)引腳，甚至損害CPU內(nèi)部核心電路，從而造成內(nèi)部電路的永久損壞。

如上圖所示，采用鉗位二極管對JTAG接口電路進(jìn)行保護(hù)，一般鉗位二極管采用肖基特二極管即可。當(dāng)然JTAG下載器盡量不要帶電拔插使用，做好斷電后進(jìn)行拔插操作，這樣可以最大程度避免可能的損害發(fā)生。

3. CAN總線接口設(shè)計(jì)：

CAN總線接口外部電路通過一對差分信號線和CAN收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此在應(yīng)用的過程中，通訊電纜很容易耦合外部的干擾從而對信號的傳輸產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的會通過CAN接口電路傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部核心敏感電路中去，從而造成EMI問題。

如上圖所示，CAN接口防護(hù)器件主要包括：濾波電容、共模電感、跨接電容、TVS管。

濾波電容C1,C2用于給干擾提供低阻抗的回流路徑，選取范圍為22pF~1000pF，典型值為100pF。

共模電感L1用于濾除差分線上的共模干擾，阻抗選取范圍為120歐/100MHz~2200歐/100MHz，典型值為600歐/100MHz。

跨接電容C3,C4用于接口地和數(shù)字地之間的隔離，典型值為1000pF/2KV。

TVS管D1,D2用于防護(hù)靜電放射ESD或瞬間的高能量沖擊，使其線路的電壓鉗位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值內(nèi)，從而確保后面的電路器件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。(TVS管功能類似鉗位二極管或壓敏電阻)

4. 外殼接口設(shè)計(jì)：

如果設(shè)備外殼與大地接地良好，則PCB也應(yīng)該與外殼進(jìn)行良好的單點(diǎn)接地，這時(shí)PCB的干擾會通過外殼接地良好消除，對PCB也不會產(chǎn)生干擾。如果設(shè)備外殼沒有良好接大地，則PCB地與外殼地也不必互連。常見的外殼地與PCB地的單點(diǎn)接地電路主要采用阻容電路相連。

(1)、從EMC角度考慮，電容C1是用來泄放干擾的，系統(tǒng)(PCB端)的高頻干擾噪聲匯聚到GND，并通過電容C1流到PGND，由于PGND與大地進(jìn)行良好接觸，因此干擾噪聲得到有效抑制，改善了EMC問題。

(2)、從ESD角度考慮，電阻R1是為了應(yīng)付靜電放電測試用的。如果僅僅使用電容構(gòu)成浮地系統(tǒng)，ESD測試產(chǎn)生的電荷無處釋放，會逐漸積累，當(dāng)累積到一定的程度便會在PGND和GND最薄弱處擊穿放電，這樣會在短時(shí)間內(nèi)在PCB上產(chǎn)生較大電流，足以損壞PCB上的電路與器件。因此通過電阻R1去慢慢釋放ESD產(chǎn)生的電荷，以消除PGND和GND之間的壓差是很有用的。

5. 電源防反接技術(shù)：

在電源供電的場合，經(jīng)常碰到電源極性反接的情況，以至于造成不可逆的后果。

(1)、硬件防反接技術(shù)：電源的接插件防反接等硬件機(jī)械處理。

(2)、二極管防反接技術(shù)：利用二極管的單向?qū)щ娦蕴匦?，防止電源的反接，但是此電路在?shí)際中并不常用。因?yàn)槎O管會存在導(dǎo)通壓降，造成輸出電壓降低，而且當(dāng)電源電流過大時(shí)二極管消耗的功率較大，造成無用功耗的增加。

(3)、MOS管防反接技術(shù)：由于MOSFET具有極低的導(dǎo)通電阻，因此即使電流很大損耗也較小，非常適合以最低的損耗來實(shí)現(xiàn)電源的防反接處理。如下圖所示，NMOS管在接地回路，PMOS管在電源路徑。但是實(shí)際應(yīng)用中使用PMOS管的更為常用，因?yàn)镹MOS管在接地回路會對參考地平面產(chǎn)生影響甚至破壞接地回路，因此PMOS更為合適。另外需要注意的是，實(shí)際電路MOS管的柵極要串接限流電阻進(jìn)行保護(hù)。