在数字电子产品中如何保护电子设备的输入数据
在通用电子系统中，有一些输入由最终用户控制。这些输入由电子设备读取并通过使用输出进行操作。输入可以来自无数的来源：按钮，开关，传感器，继电器和通信设备，仅举几例。在某些环境和情况下，这些输入信号会对读取它们的电子设备构成威胁 - 特别是如果这些电子设备的设计没有考虑到保护。一个这样的环境是工业电子世界。
这种环境设计的一个重要方面是将敏感电子设备与来自工厂车间恶劣条件的输入连接起来。通常，输入由某种智能处理器读取，例如微控制器，fpga或状态机。在这些情况下，必须保护处理器免受输入影响，同时仍为处理器提供可用信号以供读取。
问题定义
在典型的工厂系统中，控制面板上可能有远离中央处理单元的按钮。按钮通过长导线连接到中央处理。不幸的是，这可能导致无意的电子故障。长导线可以充当电感器，当按钮打开或关闭时，电子路径上会出现大电压尖峰。图1显示了这种情况的简化图。
图1：简化的电子系统。
为了讨论克服这个问题的方法，将使用更具体的例子。典型的微控制器的输入阻抗约为20mω。此外，系统电压范围为1.2 v至5.0 v.在这种情况下，我们假设采用5 v系统。图2显示了图1重新配置为简化的电子模型。
图2：将输入模型转换为简化的电子模型。
使用此模型，很容易看到无保护输入的问题。输入引脚上显示的任何大电压都直接显示在内部电子设备（微控制器）上。无论这种电压如何产生（esd，感应emi，开关闭合，用户错误），都可能损坏微控制器，并可能导致整个系统发生故障。因此，必须实施不同的保护策略以创建健壮的系统。
为了详细讨论这个问题，我们将设置一个简单的系统，如图3所示。它是一个简单的开关，连接到一个25英尺电线连接的微控制器。请注意，开关是一个2极开关，它在开路和接地之间切换。微控制器上的上拉电阻使微控制器将开路位置读为“高”。
图3：简单的开关电路。
当开关位置发生变化时，在25英尺的导线上感应出一个很大的电压，它出现在微控制器上。如图4所示。注意感应振铃引起的最小电压为-5.88v。这足以引起电子系统内的严重问题。
通过该电路和简单的示波器捕获，可以看到大电压问题。现在是时候研究解决这个问题的方法了。
图4：从开放切换到地面。
保护方法
图3所示的简单模型之外的微控制器输入（以及绝大多数逻辑ic）的一个重要方面是它们具有用于保护输入的内部保护二极管，如图5所示。这些正常偏置电压为0.7 v.
在理想情况下，这可以保护微控制器。但是，如果电压足够大或持续时间足够长，它可能会在短路位置损坏内部二极管，从而“断开”输入引脚。更糟糕的是，输入引脚现在直接连接到电源轨，因此，当下一个大电压出现在输入引脚上时，它会直接分流到电源总线，对整个微控制器造成严重破坏，并且最有可能进一步损坏它。
图5：增强的微控制器输入模型。
即使二极管没有被破坏，大的esd尖峰也会通过微控制器的电源总线引起电流浪涌，这会破坏内部寄存器和设置，从而导致不可预测的行为。考虑到所有这些因素，首先尝试保护输入引脚的电流限制。
电流限制
最简单的保护机制是限流电阻，如图6所示。输入电阻的大小应使其上的压降不会影响微控制器输入端的电压。由于这是一个简单的分压器，控制器中的输入电阻约为20mω，因此该电阻可能相当大。对于大多数数字输入，良好的值介于100ω和10kω之间。对于我们的系统，使用1kω的值。
图6：输入的电流限制保护。
这保护类型适用于短导线连接长度和封闭导线（emi的可能性很小等）。图7显示了该电路如何实现保护。在图7中，感应电压的振铃边沿被限制在-0.810 v。
图7：电流限制电路结果。
滤波
图6显示了一个简单的限流电路。但是，通过添加电容器，可以通过将限流电路转换为简单的低通滤波器来增加更多保护，如图8所示。
图8：输入的低通滤波器保护。
对于这种类型的电路，必须更多地考虑元件选择。由于图8中电路的频率限制特性，电阻器和电容器的值必须调整大小，以便微控制器不会丢失任何信号。图9所示的简单公式可用于确定电阻和电容的值。
图9：确定电阻和用于数字输入的低通滤波器电路中的电容值。
要计算r和c的值，请使用以下步骤：
查找输入信号的最快边缘 - 或确定输入信号的最快频率和假设边沿速度为输入周期的1/100（1 khz输入频率的边沿为10μs）。
选择“r”。通常可以选择系统中已有的公共值，例如1kω。
使用图9中的公式确定‘c’的值。
在某些情况下在这种情况下，输入信号是一个非常缓慢的移动信号（按下按钮，开关闭合等），因此可以改变‘c’的值以匹配电路板上的公共值，只要数量级为维持。
如图8所示，r和c的值分别为1kω和0.01μf（假设最大输入频率为1 khz）。图10显示了该电路如何与输入开关电路配合使用。注意与图7相比，过冲边缘现在是如何消失的。这是电容器的影响。
图10：rc滤波器性能。
数字输入的rc滤波器电路的另一个优点是它还可以抑制可能导致微控制器读数错误的杂散/快速输入。遗憾的是，对于大型esd事件和长线程，微控制器中仍然存在电压尖峰，因为电路依赖于内部二极管的削波作用。这导致了下一个方法。
外部限幅二极管
为了省去微控制器内部二极管的使用，可以使用外部肖特基限幅二极管。如图11所示。实施肖特基二极管是因为它们在微控制器的内部二极管之前导通（肖特基二极管正向偏压约为0.2 v，而内部二极管为0.7 v）。请注意，小串联电阻用于保护肖特基二极管免受过电流影响。由于这些二极管仅在短时间内导通，因此小电阻器工作良好;大约10ω的东西通常工作正常。或者，如果肖特基二极管足够强大以处理短时，高电流脉冲，则可以省略10ω电阻。
图11：外部限幅二极管电路。
图12显示了带有输入开关电路的电路结果。黄色迹线是电容器的正极，而绿色迹线是电阻器与肖特基二极管相遇的位置。注意负尖峰为-0.650 v，低于微控制器的正向偏置电压。精心设计的pcb上的此电平电压不应导致任何问题。
图12：外部二极管保护结果。
因此，对于最坚固的数字输入保护，应使用外部电阻，电容和二极管的组合。
其他想法
这些基本思想可以针对已知的高压输入进一步扩展。例如，如果输入信号改为切换高电压而不是接地，则可以使用如图13所示的电路。
图13：读取高压输入。
输入限幅二极管接地是为了防止低于零伏的尖峰。在限流电阻之后，去除正母线的输入限幅二极管，有利于齐纳二极管。这为输入引脚提供了已知电压，并减少了分流到电源总线的电流量。此外，输入上的所有连接现在都接地，这可以简化pcb布线。注意，在这种情况下，限流电阻的尺寸必须足够小，以提供足够的电流，以使齐纳击穿正确的电压（最小约1 ma）。图14显示了该电路的操作，使用开关12 v输入。
图14：读取大输入电压数字输入。
结论
当数字电路与外界接触时，必须注意保护敏感电子设备。然而，提供保护所需的电路小，便宜且易于理解。如果在设计系统时使用了一点预见，一旦系统部署，就可以避免许多困难。
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图1：简化的电子系统。
为了讨论克服这个问题的方法，将使用更具体的例子。典型的微控制器的输入阻抗约为20mω。此外，系统电压范围为1.2 v至5.0 v.在这种情况下，我们假设采用5 v系统。图2显示了图1重新配置为简化的电子模型。
图2：将输入模型转换为简化的电子模型。
使用此模型，很容易看到无保护输入的问题。输入引脚上显示的任何大电压都直接显示在内部电子设备（微控制器）上。无论这种电压如何产生（esd，感应emi，开关闭合，用户错误），都可能损坏微控制器，并可能导致整个系统发生故障。因此，必须实施不同的保护策略以创建健壮的系统。
为了详细讨论这个问题，我们将设置一个简单的系统，如图3所示。它是一个简单的开关，连接到一个25英尺电线连接的微控制器。请注意，开关是一个2极开关，它在开路和接地之间切换。微控制器上的上拉电阻使微控制器将开路位置读为“高”。
图3：简单的开关电路。
当开关位置发生变化时，在25英尺的导线上感应出一个很大的电压，它出现在微控制器上。如图4所示。注意感应振铃引起的最小电压为-5.88v。这足以引起电子系统内的严重问题。
通过该电路和简单的示波器捕获，可以看到大电压问题。现在是时候研究解决这个问题的方法了。
图4：从开放切换到地面。
保护方法
图3所示的简单模型之外的微控制器输入（以及绝大多数逻辑ic）的一个重要方面是它们具有用于保护输入的内部保护二极管，如图5所示。这些正常偏置电压为0.7 v.
在理想情况下，这可以保护微控制器。但是，如果电压足够大或持续时间足够长，它可能会在短路位置损坏内部二极管，从而“断开”输入引脚。更糟糕的是，输入引脚现在直接连接到电源轨，因此，当下一个大电压出现在输入引脚上时，它会直接分流到电源总线，对整个微控制器造成严重破坏，并且最有可能进一步损坏它。
图5：增强的微控制器输入模型。
即使二极管没有被破坏，大的esd尖峰也会通过微控制器的电源总线引起电流浪涌，这会破坏内部寄存器和设置，从而导致不可预测的行为。考虑到所有这些因素，首先尝试保护输入引脚的电流限制。
电流限制
最简单的保护机制是限流电阻，如图6所示。输入电阻的大小应使其上的压降不会影响微控制器输入端的电压。由于这是一个简单的分压器，控制器中的输入电阻约为20mω，因此该电阻可能相当大。对于大多数数字输入，良好的值介于100ω和10kω之间。对于我们的系统，使用1kω的值。
图6：输入的电流限制保护。
这保护类型适用于短导线连接长度和封闭导线（emi的可能性很小等）。图7显示了该电路如何实现保护。在图7中，感应电压的振铃边沿被限制在-0.810 v。
图7：电流限制电路结果。
滤波
图6显示了一个简单的限流电路。但是，通过添加电容器，可以通过将限流电路转换为简单的低通滤波器来增加更多保护，如图8所示。
图8：输入的低通滤波器保护。
对于这种类型的电路，必须更多地考虑元件选择。由于图8中电路的频率限制特性，电阻器和电容器的值必须调整大小，以便微控制器不会丢失任何信号。图9所示的简单公式可用于确定电阻和电容的值。
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外部限幅二极管
为了省去微控制器内部二极管的使用，可以使用外部肖特基限幅二极管。如图11所示。实施肖特基二极管是因为它们在微控制器的内部二极管之前导通（肖特基二极管正向偏压约为0.2 v，而内部二极管为0.7 v）。请注意，小串联电阻用于保护肖特基二极管免受过电流影响。由于这些二极管仅在短时间内导通，因此小电阻器工作良好;大约10ω的东西通常工作正常。或者，如果肖特基二极管足够强大以处理短时，高电流脉冲，则可以省略10ω电阻。
图11：外部限幅二极管电路。
图12显示了带有输入开关电路的电路结果。黄色迹线是电容器的正极，而绿色迹线是电阻器与肖特基二极管相遇的位置。注意负尖峰为-0.650 v，低于微控制器的正向偏置电压。精心设计的pcb上的此电平电压不应导致任何问题。
图12：外部二极管保护结果。
因此，对于最坚固的数字输入保护，应使用外部电阻，电容和二极管的组合。
其他想法
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图13：读取高压输入。
输入限幅二极管接地是为了防止低于零伏的尖峰。在限流电阻之后，去除正母线的输入限幅二极管，有利于齐纳二极管。这为输入引脚提供了已知电压，并减少了分流到电源总线的电流量。此外，输入上的所有连接现在都接地，这可以简化pcb布线。注意，在这种情况下，限流电阻的尺寸必须足够小，以提供足够的电流，以使齐纳击穿正确的电压（最小约1 ma）。图14显示了该电路的操作，使用开关12 v输入。
图14：读取大输入电压数字输入。
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