在通用電子系統中，有一些輸入由最終用戶控制。這些輸入由電子設備讀取并通過使用輸出進行操作。輸入可以來自無數的來源：按鈕，開關，傳感器，繼電器和通信設備，僅舉幾例。在某些環境和情況下，這些輸入信號會對讀取它們的電子設備構成威脅 - 特別是如果這些電子設備的設計沒有考慮到保護。一個這樣的環境是工業電子世界。

這種環境設計的一個重要方面是將敏感電子設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或狀態機。在這些情況下，必須保護處理器免受輸入影響，同時仍為處理器提供可用信號以供讀取。

問題定義

在典型的工廠系統中，控制面板上可能有遠離中央處理單元的按鈕。按鈕通過長導線連接到中央處理。不幸的是，這可能導致無意的電子故障。長導線可以充當電感器，當按鈕打開或關閉時，電子路徑上會出現大電壓尖峰。圖1顯示了這種情況的簡化圖。

圖1：簡化的電子系統。

為了討論克服這個問題的方法，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，系統電壓范圍為1.2 V至5.0 V.在這種情況下，我們假設采用5 V系統。圖2顯示了圖1重新配置為簡化的電子模型。

圖2：將輸入模型轉換為簡化的電子模型。

使用此模型，很容易看到無保護輸入的問題。輸入引腳上顯示的任何大電壓都直接顯示在內部電子設備（微控制器）上。無論這種電壓如何產生（ESD，感應EMI，開關閉合，用戶錯誤），都可能損壞微控制器，并可能導致整個系統發生故障。因此，必須實施不同的保護策略以創建健壯的系統。

為了詳細討論這個問題，我們將設置一個簡單的系統，如圖3所示。它是一個簡單的開關，連接到一個25英尺電線連接的微控制器。請注意，開關是一個2極開關，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：簡單的開關電路。

當開關位置發生變化時，在25英尺的導線上感應出一個很大的電壓，它出現在微控制器上。如圖4所示。注意感應振鈴引起的最小電壓為-5.88V。這足以引起電子系統內的嚴重問題。

通過該電路和簡單的示波器捕獲，可以看到大電壓問題。現在是時候研究解決這個問題的方法了。

圖4：從開放切換到地面。

保護方法

圖3所示的簡單模型之外的微控制器輸入（以及絕大多數邏輯IC）的一個重要方面是它們具有用于保護輸入的內部保護二極管，如圖5所示。這些正常偏置電壓為0.7 V.

在理想情況下，這可以保護微控制器。但是，如果電壓足夠大或持續時間足夠長，它可能會在短路位置損壞內部二極管，從而“斷開”輸入引腳。更糟糕的是，輸入引腳現在直接連接到電源軌，因此，當下一個大電壓出現在輸入引腳上時，它會直接分流到電源總線，對整個微控制器造成嚴重破壞，并且最有可能進一步損壞它。

圖5：增強的微控制器輸入模型。

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

電流限制

最簡單的保護機制是限流電阻，如圖6所示。輸入電阻的大小應使其上的壓降不會影響微控制器輸入端的電壓。由于這是一個簡單的分壓器，控制器中的輸入電阻約為20MΩ，因此該電阻可能相當大。對于大多數數字輸入，良好的值介于100Ω和10kΩ之間。對于我們的系統，使用1kΩ的值。

圖6：輸入的電流限制保護。

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

圖7：電流限制電路結果。

濾波

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

圖8：輸入的低通濾波器保護。

對于這種類型的電路，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整大小，以便微控制器不會丟失任何信號。圖9所示的簡單公式可用于確定電阻和電容的值。

圖9：確定電阻和用于數字輸入的低通濾波器電路中的電容值。

要計算R和C的值，請使用以下步驟：

查找輸入信號的最快邊緣 - 或確定輸入信號的最快頻率和假設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”。通常可以選擇系統中已有的公共值，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，輸入信號是一個非常緩慢的移動信號（按下按鈕，開關閉合等），因此可以改變‘C’的值以匹配電路板上的公共值，只要數量級為維持。

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

圖10：RC濾波器性能。

數字輸入的RC濾波器電路的另一個優點是它還可以抑制可能導致微控制器讀數錯誤的雜散/快速輸入。遺憾的是，對于大型ESD事件和長線程，微控制器中仍然存在電壓尖峰，因為電路依賴于內部二極管的削波作用。這導致了下一個方法。

外部限幅二極管

為了省去微控制器內部二極管的使用，可以使用外部肖特基限幅二極管。如圖11所示。實施肖特基二極管是因為它們在微控制器的內部二極管之前導通（肖特基二極管正向偏壓約為0.2 V，而內部二極管為0.7 V）。請注意，小串聯電阻用于保護肖特基二極管免受過電流影響。由于這些二極管僅在短時間內導通，因此小電阻器工作良好;大約10Ω的東西通常工作正常。或者，如果肖特基二極管足夠強大以處理短時，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電路的電路結果。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。注意負尖峰為-0.650 V，低于微控制器的正向偏置電壓。精心設計的PCB上的此電平電壓不應導致任何問題。

圖12：外部二極管保護結果。

因此，對于最堅固的數字輸入保護，應使用外部電阻，電容和二極管的組合。

其他想法

這些基本思想可以針對已知的高壓輸入進一步擴展。例如，如果輸入信號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12 V輸入。

圖14：讀取大輸入電壓數字輸入。

結論

當數字電路與外界接觸時，必須注意保護敏感電子設備。然而，提供保護所需的電路小，便宜且易于理解。如果在設計系統時使用了一點預見，一旦系統部署，就可以避免許多困難。