串行接口是故障发生概率最高的模块,原因是多方面的,一般认为系统地线噪声是主要原因,而用户盲目地将设备的电源插头插入火、零、地线混乱的电源座也是不罕见的。本文从ESD防护的角度来分析这个问题,认为ESD同样会导致串行口的器件故障。通信电缆不恰当的敷设方法,常常导致通信电缆成为ESD后有害电流的入侵途径。人体或其它目标对设备整机放电后,会造成整机地电位的改变,此时串行口电路又成了受害者。
当通信速率在115.2 kb/s以下时,给串行口选择保护电路较容易,上面介绍的几种电路均可使用。但要注意,保护电路给通道增加的电容值和电阻值要保持在能够承受的范围内,过大的串联电阻会影响串行通信的传输距离。比如,在串行口设置保护后,有些需要从串行口的信号线取得电流、维持电路工作的“无源”设备往往会工作不正常,所以保护电路中的器件参数必须精心计算。除了在串行接口电路中安排额外的保护电路外,选择内部带有ESD保护功能的接口器件也是可取的办法。
并行接口、键盘接口加保护措施的必要性在于其电路采用了LSI,特别是FPGA、ASIC等可编程门阵列,给电路带来的不安全因素。正常操作键盘,或者带电插拔键盘不会引起键盘口的损坏,或者说损坏的概率极低。只有用放电装置专门对键盘放电时,才会引起键盘接口的损坏。然而,采用FPGA、ASIC等可编程门阵列后,情况就完全不同。在没有保护的情况下,电路板在车间流水线上调试时,会发现接口的损坏,用户正常操作时也会损坏设备,尤其在少雨地区更是如此。这时,带电插拔打印机、键盘等冒险操作是绝对不允许的。
显示接口的保护更有必要,这是因为显示控制器的设计已由以前的时钟、核心、数模转换器三部分发展成为单片方案,因此显示控制器制造厂家已在向用户提供的推荐电路中增加了保护电路。显示和逻辑主板一体化后,虽然显示信号在内部互联,不向外输出,但其保护的必要性并没有降低。其原因是,一体式机器中显示电路的打火产生的强电脉冲会轻易地导入显示信号接口电路;另外,无论一体式显示设备或分体式显示设备,往往设计有对比度调节旋纽,被用长线引到显示器的面框上,如果旋纽结构不合理或安装不周密,带静电的手指也会放电。要注意针对不同信号选择不同的电路,行同步、场同步信号是TTL输出,大多数保护电路都适用,RGB视频信号输出电压是0.7 V(峰—峰值),根据笔者设计经验,使用串有电阻的二极管箝位电路具有很好的保护效果,箝位电压范围可以是0~+5 V 。
印制电路板布线是抗瞬态冲击设计的重要方面。保护通道中的寄生电感会产生电压尖峰,量值会超过IC的引脚所能承受的极限值。根据IEC 1000-4-2标准,ESD产生的瞬态冲击可能在1 ns内达到峰值,在1 cm长的引线上就会产生80 V电压、10 A电流的脉冲。因此,设计时必须努力减小被保护信号线以及信号回路(地线)上的寄生电感量。可采取的措施有:尽量缩短引线长度,加大信号线宽度,印制导线敷锡等。