接口防护措施总结

xx接口防护措施总结关键字：xx接口防护xx是IDU系列产品的低端产品，定位于替代SDU的部分低端市场，主要用于接入网、小模块局、微站等市场，同时兼顾部分户外基站市场的需求xx包含很多接口，其中包括电源输入端口、串口、模拟量输入端口、E1端口、传感器电源输出端口、网口、USB口、I2C口等。如果不进行端口保护，外部危险信号就会通过端口直接引入而造成器件的损坏，特别是电源端口、网口和E1端口等，还会引入雷电信号。xx根据其端口的自身特点进行了一些保护措施，现在对各个端口保护措施进行分析说明。1.电源输入端口图1电源输入端口输入电源电压为直流20V-60V。根据电源输入端的特点，防护措施包括防雷、防浪涌、以及过流、防反接等。①防雷或防浪涌冲击的措施采用压敏电阻通过放电管接地的方式进行雷击保护，压敏电阻型号为S20K60。它的防雷电压为85V，可以防护6.5kA的雷电。如图1，采用R152和R151与放电管G1连接来防护共模雷，其中放电管G1可以缩短压敏的泄放通道。R149用来防护差模雷，不采用R152和R151串联的方式来滤除差模雷，是因为这两个压敏电阻串联后的防雷电压为170V，这样将无法滤除85V～170V之间的差模雷。②过流保护措施电源保护电路在正级输入端串联保险丝F1来进行过流保护，当电流太大时，保险丝熔断来对单板进行保护。③防反接保护措施在电源的负极串入二极管D66通过它的单向导电性能来实现电源的反接保护。当电源极性反接时，电路不工作，单板不损坏。④电源滤波图1中，C139、C154、L26、C140、C141、C158组成了电源滤波器，它对滤除差模噪声和共模噪声都有一定的效果。共模电感L26在滤除差模噪声的同时对共模噪声有显著效果，同时，C140、C141也是滤除共模噪声，其选用为0.022微法的陶介电容，有较好的高频特性。2.以太网输入端口以太网接口作为一种宽带网的基本通信接口在产品中得到了大量应用。主要包括10M和100M的以太网接口。这里将从网口滤波电路和网口防护电路两个方面讨论网口的保护措施。①网口滤波器IPLU采用的是具有EMI抑制作用的接口变压器，型号为E&EMagneticProductsLtd.公司的820-M0141R，如图2所示。需要注意的地方有以下几点：1)物理芯片侧的变压器中心抽头需通过0.01-0.1uf的电容接地。2)物理芯片侧的线间电阻根据芯片不同可选择上拉或者通过电容接地。电阻靠近芯片管脚放置。3)芯片侧的变压器中心抽头通过0.01uf电容接地。中心抽头的接地电容也可通过磁珠上拉。网口变压器是隔共模信号，通差模信号。通常的网口变压器可以耐受有效值1500V的交流电压，因此3000V以下的瞬态共模浪涌电压从理论上讲是不会通过变压器的隔离，到达接口芯片而损坏接口芯片的。但是在通常测试中，1kV的共模浪涌电压有时就会出现芯片损坏的情况，这是因为在测试过程中，共模浪涌信号绝缘击穿转换成为差模信号，直接无衰减通过隔离变压器到达芯片而造成芯片损坏。图2网口保护电路图3RJ45管脚接线图共模信号如何转化成差模信号？网口共8根线，四对差分线，10M和100M网口用的是1、2、3、6四根线，4、5、7、8四根线没有使用，但是4、5、7、8也是连接到外部的电缆，同样也会耦合到浪涌信号，浪涌信号通过这八根线到达单板，所以把这八根线在单板上的所有的PCB走线、连接的连接器插针、电容管脚、电阻管脚以及变压器管脚称为高压区，而其它的地、电源、螺钉、点灯线则为低压区。如果高压区和低压区之间的绝缘距离不够，就会发生绝缘击穿，因此共模转成差模，差模信号通过隔离变压器直接达到芯片，从而造成芯片损坏。不用的RJ45管脚4、5、7、8按图3的方法处理。②网口防护电路为了防止上述的共模浪涌信号转化成差模信号而毁坏芯片的事件发生，就需要在接二级防护电路网口变压器口电路和网络滤波器之间加网口防护电路。如图2中所示，IPLU的网络端口采用的是由分立元件设计的二级防护电路。第一级为空气放电管，通常选择三端放电管。它既可以起到差模防护的作用，也可以起到共模防护的作用，具体防护能力取决于空气放电管的通流量。由于网口信号速率很高，所以要注意防护器件的结电容对信号的影响。这里的空气放电管（编号：19020105）的结电容在2pF以下。第二级防护采用分立元件设计，可以防护差模浪涌电压，两级防护之间的退耦电阻阻值为4.7欧姆。需要注意防护电路的结电容要满足信号要求，由于TVS管的结电容较大。图2中采用快恢复二极管和TVS管串联的方式，使电路的结电容主要决定因素是二极管，二极管的结电容为10pF。整个防护电路的防护等级取决于空气放电管的防护等级，可以防护共模5kA，差模3kA。该电路成本较低，但比较占空间。3.E1输入端口E1的输入端口采用的网口防护电路与网络输入端口的网口防护电路相同，器件选型和参数都是一样，它是由分立元件设计的二级防护电路，既可以起到差模防护的作用，又可以起到共模防护的作用。可以防护共模5kA，差模3kA，具体分析见上节。4.RS232/485/422输入端口和RS232/485输入端口RS232/485/422输入端口和RS232/485输入端口采用的防护电路相同，这里统一分析。图4RS485/422输入端接口保护电路RS485/422采用双端平衡传输方式，既输入输出均为差动方式。其中一条线是逻辑1时，另一条线为逻辑0。由于两条双绞线传送的是一对互补信号，故抗干扰能力强、传输速率高。在实际应用中，由于对RS485/422通信电路的工作可靠性有很高的要求，所以必须在电路设计中增加外围电路来增强电路工程适应能力和抵抗各种干扰的能力。图4为RS485/422输入端接口保护电路，这也是一个二级防护电路。第一级为空气放电管，通常选择三端放电管。它既可以起到差模防护的作用，也可以起到共模防护的作用，具体防护能力取决于空气放电管的通流量。空气放电管的编号为19020105，可以防护共模5kA，差模3kA。第二级由分立元件组成，其中VTS管D17用来防护差模浪涌电压，VTS管D89和D24各自接地用来滤除共模浪涌电压。两级防护之间的退耦电阻阻值为7.5欧姆。在平衡通信线A和B上，电感L3和电感L4串联其中用来滤除电流纹波。设计10千欧的上拉电阻和10千欧的下拉电阻作用是提高总线空闲电平，增加对差模干扰抵抗能力。RS232是在电源监控中常用的一种通讯方式，且使用方便，能够直接与计算机进行连接。图5为RS232输入端接口保护电路。图5RS232输入端接口保护电路如图5，第一级采用三端放电管，起到差模和共模防护的作用。第二级采用VTS管来滤除共模浪涌电压，两级防护之间的退藕电阻为100欧姆。由于RS232不是差分输入信号，所以不用像RS232那样滤除差模浪涌电压。同样的电路中串联L5和L6用来滤除电流纹波。5.传感器电源输出端口IPLU为外部传感器提供24V和12V电源，电源输出端口也采取了一些防护措施，用以防止外部设备对IPLU产生干扰，接口电路图如图6。图6传感器电源输出接口电路图如图6，XX的输出电源首先经过一个电感，用来滤除电流纹波；然后经过一个二极管，利用二极管的单向导电特性，既保证了电源向外部供电，又能够防止外部器件对电源本身的干扰；通过VTS管D44和D43接地，能够有效的滤除共模浪涌电压；电感L49，L50，L48是贴片电感器，大小为10uH，它能够在上电及掉电时有效的减小电流的冲击；0.001微法的对地电容，能够滤除电压纹波；最后经过三端放电管，能够起到共模和差模防护的作用。传感器电源输出端口的保护措施包括：防雷、防浪涌电压、减小冲击电流、滤除电压电流纹波，电流单向输出。6.模拟量输入端口图7模拟量输入端口防护电路XX有5路通用模拟量输入，通过跳针的选择，既可以采样电压又可以采样电流。电压通道最大耐压60Vdc，电流通道最大耐流32mA，干结点方式外供24V/12V电源。图7为I/O端口的保护电路，输入信号经过三端放电管，能够起到共模防护和差模防护的作用。电感L31、L32、L33、L34大小为500uH±10%。它能在接入和断开采样信号时，减小电流的冲击。VTS管用来滤除共模浪涌电压。电感L27、L28、L29、L30用来滤除电流纹波。I/O端口的保护措施主要包括：防雷、防浪涌电压、减小冲击电流、滤除电流纹波。7.USB端口图8USB端口保护电路IPLU设计了2个USB端口，它采用USB-HOST接口，2.0标准，能识别标准U盘，能够获取USB摄像头图象。每个USB端口有4根引线，其中1脚和4脚用来给U盘供电，2脚和3脚为传输数据线。①对于1脚和4脚，5V的供电电压，主要由滤波电路和防护电路组成。首先通过电容滤波。C97和C122组成并联电容组，其中C97的电容大小为10微法，其主要作用是滤除电源中的低频噪声，C122的电容大小为0.1微法，主要作用是为了滤除电源上的高频噪声。通过两个并联的电感作用为抑制电流瞬间变化，两个电感的编号为10070008，单个能够承受的电流为500mA，两个电感就能够承受1A的电流。输出侧的电容主要用来过滤高频纹波。防护电路是由VTS管组成，作用是滤除共模浪涌电压。②对于2脚和3脚，采用了由分立元件组成的防护电路，可以防护差模浪涌电压。由于USB信号速率很高，所以要注意防护器件的结电容对信号的影响。二极管如图8所示，该电路结电容主要决定因素是二极管，该二极管的结电容为10pF。电容C128和C129大小为39pF，用来滤除高频电压纹波。电阻R143和R142为退藕电阻，传输数据经过保护后送给CPU处理。8.I2C端口图9I2C电路的接口保护电路XX的I2C口只能接入自制的I2C温湿度传感器。其中VCC_5和GND用来给温湿度传感器供电。SCL和SDA为信号线，当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCL线为高电平时，SDA线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。①5V对外供电的防护电路包括滤波电路和防护电路两个部分，滤波电路由电感和并联电容组组成，用VTS管来防护共模浪涌电压。②对于信号线，用VTS管来防护共模浪涌电压，电感L15用来滤除电流瞬间变化。C21为0.001微法的陶介电容，用来滤除GND和PGND之间的高频噪声。9.小结端口设计时有些规律可以把握，如所有端口都要防护共模浪涌电压。若端口接入的信号由外部引线接入，如网线、电源线、E1等，有可能引入感应雷或是雷电，这些端口就需要做防雷保护。若引入的信号为差分信号要防护差模浪涌电压。大部分端口都要进行滤波处理等。