在工程實踐中，的確會碰到一些意想不到，奇奇怪怪，自己在實驗室環境中打死也不會想到，或者想到也懶得解決的問題。根據墨菲定律(Murphy’s Law)，“如果事情有變壞的可能，不管這種可能性有多小，它總會發生”。因此，在工程實踐中，還是應該把能夠想到的故障解決在萌芽當中。

記得在之前的博文墨菲定律：都是溫度惹的禍[1] 中提到電路的熱穩定性影響的今年全國大學生智能汽車競賽西部賽區部分隊伍的聲音信標作品，在室外比賽高氣溫比賽環境中，沒有能夠完成現場的比賽。

今天提到的是另外一個古老工程設計的例子，由于沒有對電路對外端口保護設計得到，不僅造成現場調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容：是利用現在網絡技術對傳統轉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盤撥碼、振鈴、聽筒受話等元素，而語音傳輸則采用網絡數據傳輸的方式。它是為歐洲市場定制的產品。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）的產生[3] 技術。

當時電話機其他的電路前面別人都已經設計調試完畢，只剩下電話振鈴電路如何驅動。

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，可以穩定驅動電話的振鈴動作。

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，會出現隨機燒毀核心電路板的問題。

此時，只能重新對之前別人設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。

內部結構原理、管腳分布、基本應用

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。

測量輸入管腳穩壓實驗電路

下面是輸入交流三角波形（藍色波形），經過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部接口[6] 中，經過測試，解決了原來系統不穩定，總是燒毀核心處理板的故障。

焊接后的8通道IO保護板

通過這個設計，重新讓我們對于系統設計細節重視起來。對于可能存在的故障不能夠存有僥幸心理。良好設計就應該是防患于未然之中。

責任編輯：xj

原文標題：端口設計中的保護電路

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