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01、緣起
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，還是應該把能夠想到的故障解決在萌芽當中。
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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生智能汽車競賽西部賽區(qū)部分隊伍的聲音信標作品，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。
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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(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
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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)絡數(shù)據(jù)傳輸的方式。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)。
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02、問題
當時電話機其他的電路前面別人都已經(jīng)設計調(diào)試完畢，只剩下電話振鈴電路如何驅(qū)動。
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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。
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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。
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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 03. 解決方案 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(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、基本應用 04. 電路測試 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 05. 最終效果 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 通過這個設計，重新讓我們對于系統(tǒng)設計細節(jié)重視起來。對于可能存在的故障不能夠存有僥幸心理。良好設計就應該是防患于未然之中。
