在工程實踐中，的確會碰到一些意想不到，奇奇怪怪，自己在實驗室環(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古老工程設(shè)計的例子，由于沒有對電路對外端口保護設(shè)計得到，不僅造成現(xiàn)場調(diào)試過程中屢次造成核心主板的燒毀，同時也使得工程周期延長了。

老式電話機與現(xiàn)代手機

在撥回舊時光[2] 博文中記錄了我在去年最初了解到該仿古電話項目的內(nèi)容：是利用現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤電話機進行改造使其仍然具有基本的通話功能，人機界面仍然包括有轉(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?。它是為歐洲市場定制的產(chǎn)品。所需要解決的工程問題是解決老式電話機中振鈴高壓交流信號（40 ~100V）的產(chǎn)生[3] 技術(shù)。

當(dāng)時電話機其他的電路前面別人都已經(jīng)設(shè)計調(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)動電話機振鈴線圈，可以達到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。

實際工作電路中的電路板

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

此時，只能重新對之前別人設(shè)計的電路進行重新分析，原來故障的隱患就是來自于電路端口保護的缺失。在原來電路板與電話機引線接口中，大約有多組信號線，包括聽筒、摘掛話機、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，但并沒有進行端口信號保護。

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

電話接口線中的信號耦合

對于IO口保護通常采用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的二極管陣列SP4062[4] 集成了四個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20A的電流。SP4062適合用于高速信號管腳的保護。

SP4062 外形

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

內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理、管腳分布、基本應(yīng)用

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

測量輸入管腳穩(wěn)壓實驗電路

下面是輸入交流三角波形（藍色波形），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

輸入與輸出信號波形

將SP4062集成于前面仿古電話機內(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。

焊接后的8通道IO保護板

通過這個設(shè)計，重新讓我們對于系統(tǒng)設(shè)計細節(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)計就應(yīng)該是防患于未然之中。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：端口設(shè)計中的保護電路

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