在通用電子系統(tǒng)中，有一些輸入由最終用戶控制。這些輸入由電子設(shè)備讀取并通過使用輸出進(jìn)行操作。輸入可以來自無數(shù)的來源：按鈕，開關(guān)，傳感器，繼電器和通信設(shè)備，僅舉幾例。在某些環(huán)境和情況下，這些輸入信號(hào)會(huì)對(duì)讀取它們的電子設(shè)備構(gòu)成威脅 - 特別是如果這些電子設(shè)備的設(shè)計(jì)沒有考慮到保護(hù)。一個(gè)這樣的環(huán)境是工業(yè)電子世界。

這種環(huán)境設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是將敏感電子設(shè)備與來自工廠車間惡劣條件的輸入連接起來。通常，輸入由某種智能處理器讀取，例如微控制器，FPGA或狀態(tài)機(jī)。在這些情況下，必須保護(hù)處理器免受輸入影響，同時(shí)仍為處理器提供可用信號(hào)以供讀取。

問題定義

在典型的工廠系統(tǒng)中，控制面板上可能有遠(yuǎn)離中央處理單元的按鈕。按鈕通過長導(dǎo)線連接到中央處理。不幸的是，這可能導(dǎo)致無意的電子故障。長導(dǎo)線可以充當(dāng)電感器，當(dāng)按鈕打開或關(guān)閉時(shí)，電子路徑上會(huì)出現(xiàn)大電壓尖峰。圖1顯示了這種情況的簡化圖。

圖1：簡化的電子系統(tǒng)。

為了討論克服這個(gè)問題的方法，將使用更具體的例子。典型的微控制器的輸入阻抗約為20MΩ。此外，系統(tǒng)電壓范圍為1.2 V至5.0 V.在這種情況下，我們假設(shè)采用5 V系統(tǒng)。圖2顯示了圖1重新配置為簡化的電子模型。

圖2：將輸入模型轉(zhuǎn)換為簡化的電子模型。

使用此模型，很容易看到無保護(hù)輸入的問題。輸入引腳上顯示的任何大電壓都直接顯示在內(nèi)部電子設(shè)備（微控制器）上。無論這種電壓如何產(chǎn)生（ESD，感應(yīng)EMI，開關(guān)閉合，用戶錯(cuò)誤），都可能損壞微控制器，并可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障。因此，必須實(shí)施不同的保護(hù)策略以創(chuàng)建健壯的系統(tǒng)。

為了詳細(xì)討論這個(gè)問題，我們將設(shè)置一個(gè)簡單的系統(tǒng)，如圖3所示。它是一個(gè)簡單的開關(guān)，連接到一個(gè)25英尺電線連接的微控制器。請注意，開關(guān)是一個(gè)2極開關(guān)，它在開路和接地之間切換。微控制器上的上拉電阻使微控制器將開路位置讀為“高”。

圖3：簡單的開關(guān)電路。

當(dāng)開關(guān)位置發(fā)生變化時(shí)，在25英尺的導(dǎo)線上感應(yīng)出一個(gè)很大的電壓，它出現(xiàn)在微控制器上。如圖4所示。注意感應(yīng)振鈴引起的最小電壓為-5.88V。這足以引起電子系統(tǒng)內(nèi)的嚴(yán)重問題。

通過該電路和簡單的示波器捕獲，可以看到大電壓問題。現(xiàn)在是時(shí)候研究解決這個(gè)問題的方法了。

圖4：從開放切換到地面。

保護(hù)方法

圖3所示的簡單模型之外的微控制器輸入（以及絕大多數(shù)邏輯IC）的一個(gè)重要方面是它們具有用于保護(hù)輸入的內(nèi)部保護(hù)二極管，如圖5所示。這些正常偏置電壓為0.7 V.

在理想情況下，這可以保護(hù)微控制器。但是，如果電壓足夠大或持續(xù)時(shí)間足夠長，它可能會(huì)在短路位置損壞內(nèi)部二極管，從而“斷開”輸入引腳。更糟糕的是，輸入引腳現(xiàn)在直接連接到電源軌，因此，當(dāng)下一個(gè)大電壓出現(xiàn)在輸入引腳上時(shí)，它會(huì)直接分流到電源總線，對(duì)整個(gè)微控制器造成嚴(yán)重破壞，并且最有可能進(jìn)一步損壞它。

圖5：增強(qiáng)的微控制器輸入模型。

即使二極管沒有被破壞，大的ESD尖峰也會(huì)通過微控制器的電源總線引起電流浪涌，這會(huì)破壞內(nèi)部寄存器和設(shè)置，從而導(dǎo)致不可預(yù)測的行為。考慮到所有這些因素，首先嘗試保護(hù)輸入引腳的電流限制。

電流限制

最簡單的保護(hù)機(jī)制是限流電阻，如圖6所示。輸入電阻的大小應(yīng)使其上的壓降不會(huì)影響微控制器輸入端的電壓。由于這是一個(gè)簡單的分壓器，控制器中的輸入電阻約為20MΩ，因此該電阻可能相當(dāng)大。對(duì)于大多數(shù)數(shù)字輸入，良好的值介于100Ω和10kΩ之間。對(duì)于我們的系統(tǒng)，使用1kΩ的值。

圖6：輸入的電流限制保護(hù)。

這保護(hù)類型適用于短導(dǎo)線連接長度和封閉導(dǎo)線（EMI的可能性很小等）。圖7顯示了該電路如何實(shí)現(xiàn)保護(hù)。在圖7中，感應(yīng)電壓的振鈴邊沿被限制在-0.810 V。

圖7：電流限制電路結(jié)果。

濾波

圖6顯示了一個(gè)簡單的限流電路。但是，通過添加電容器，可以通過將限流電路轉(zhuǎn)換為簡單的低通濾波器來增加更多保護(hù)，如圖8所示。

圖8：輸入的低通濾波器保護(hù)。

對(duì)于這種類型的電路，必須更多地考慮元件選擇。由于圖8中電路的頻率限制特性，電阻器和電容器的值必須調(diào)整大小，以便微控制器不會(huì)丟失任何信號(hào)。圖9所示的簡單公式可用于確定電阻和電容的值。

圖9：確定電阻和用于數(shù)字輸入的低通濾波器電路中的電容值。

要計(jì)算R和C的值，請使用以下步驟：

查找輸入信號(hào)的最快邊緣 - 或確定輸入信號(hào)的最快頻率和假設(shè)邊沿速度為輸入周期的1/100（1 kHz輸入頻率的邊沿為10μs）。

選擇“R”。通?？梢赃x擇系統(tǒng)中已有的公共值，例如1kΩ。

使用圖9中的公式確定‘C’的值。

在某些情況下在這種情況下，輸入信號(hào)是一個(gè)非常緩慢的移動(dòng)信號(hào)（按下按鈕，開關(guān)閉合等），因此可以改變‘C’的值以匹配電路板上的公共值，只要數(shù)量級(jí)為維持。

如圖8所示，R和C的值分別為1kΩ和0.01μF（假設(shè)最大輸入頻率為1 kHz）。圖10顯示了該電路如何與輸入開關(guān)電路配合使用。注意與圖7相比，過沖邊緣現(xiàn)在是如何消失的。這是電容器的影響。

圖10：RC濾波器性能。

數(shù)字輸入的RC濾波器電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它還可以抑制可能導(dǎo)致微控制器讀數(shù)錯(cuò)誤的雜散/快速輸入。遺憾的是，對(duì)于大型ESD事件和長線程，微控制器中仍然存在電壓尖峰，因?yàn)殡娐芬蕾囉趦?nèi)部二極管的削波作用。這導(dǎo)致了下一個(gè)方法。

外部限幅二極管

為了省去微控制器內(nèi)部二極管的使用，可以使用外部肖特基限幅二極管。如圖11所示。實(shí)施肖特基二極管是因?yàn)樗鼈冊谖⒖刂破鞯膬?nèi)部二極管之前導(dǎo)通（肖特基二極管正向偏壓約為0.2 V，而內(nèi)部二極管為0.7 V）。請注意，小串聯(lián)電阻用于保護(hù)肖特基二極管免受過電流影響。由于這些二極管僅在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，因此小電阻器工作良好;大約10Ω的東西通常工作正常?；蛘撸绻ぬ鼗O管足夠強(qiáng)大以處理短時(shí)，高電流脈沖，則可以省略10Ω電阻。

圖11：外部限幅二極管電路。

圖12顯示了帶有輸入開關(guān)電路的電路結(jié)果。黃色跡線是電容器的正極，而綠色跡線是電阻器與肖特基二極管相遇的位置。注意負(fù)尖峰為-0.650 V，低于微控制器的正向偏置電壓。精心設(shè)計(jì)的PCB上的此電平電壓不應(yīng)導(dǎo)致任何問題。

圖12：外部二極管保護(hù)結(jié)果。

因此，對(duì)于最堅(jiān)固的數(shù)字輸入保護(hù)，應(yīng)使用外部電阻，電容和二極管的組合。

其他想法

這些基本思想可以針對(duì)已知的高壓輸入進(jìn)一步擴(kuò)展。例如，如果輸入信號(hào)改為切換高電壓而不是接地，則可以使用如圖13所示的電路。

圖13：讀取高壓輸入。

輸入限幅二極管接地是為了防止低于零伏的尖峰。在限流電阻之后，去除正母線的輸入限幅二極管，有利于齊納二極管。這為輸入引腳提供了已知電壓，并減少了分流到電源總線的電流量。此外，輸入上的所有連接現(xiàn)在都接地，這可以簡化PCB布線。注意，在這種情況下，限流電阻的尺寸必須足夠小，以提供足夠的電流，以使齊納擊穿正確的電壓（最小約1 mA）。圖14顯示了該電路的操作，使用開關(guān)12 V輸入。

圖14：讀取大輸入電壓數(shù)字輸入。

結(jié)論

當(dāng)數(shù)字電路與外界接觸時(shí)，必須注意保護(hù)敏感電子設(shè)備。然而，提供保護(hù)所需的電路小，便宜且易于理解。如果在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)使用了一點(diǎn)預(yù)見，一旦系統(tǒng)部署，就可以避免許多困難。