保护取决于什么需要保护，它有多大价值。它很像钱。有人曾经对我说过:“如果钱是你的，那就不算小钱。”经验丰富的工程师知道，小问题往往会导致大问题。这种情况已经持续了很长时间。“缺钉子”这句谚语可以追溯到公元12世纪早期，甚至本杰明·富兰克林在1758年出版了一个版本。作为工程师，我们知道我们不能总是解决每一个问题，但有时人们想要尊敬工程师(2)，并认为我们是超人，这使得图1中的诗句有点滑稽。

漫画系列描述了一个超人 不存在的世界。一颗钉子刺穿了肯特妈妈和爸爸的卡车轮胎，耽误了他们的时间，所以他们再也找不到小超人的宇宙飞船了。这个小小的变化意味着这个孩子不会成长为超人，世界永远处于危险之中。

有时输出电路保护会有这种感觉，因为我们不是超人。我们试图覆盖绝大多数情况，但我们担心导致故障的一件小事会在第一次使用时被第一个客户注意到。这实际上是墨菲定律的一个变体，所有可能出错的事情都会出错。

带备选传输方式的输出(保护)

随着工业革命的成熟，多种手段可以实现相同的功能。在列奥纳多·达·芬奇的时代，木制齿轮、螺丝、杆、杠杆和擒纵装置使控制运动成为可能。在蒸汽轮时代，活塞、杆、杠杆和调速器使工程师能够完成更多的任务。在20世纪，电动机、执行器和接触器(继电器)开始由传感器和开关控制。很快，微处理器成为控制系统的大脑，从传感器获取信息并将输出转化为行动。一个通用的等价在控制工厂时变得很有用。对于工程师来说，0到10V的电压相当于4到20mA的电流，相当于3到15磅/平方英寸(psi)的气动系统。最近，我们增加了其他串行通信方式，包括无线，在输出和执行器之间进行通信。

输出电路保护涵盖了各种各样的情况。了解环境和应用程序有助于我们决定应该做些什么来保护输出。让我们从检查第一个也是最简单的应用程序开始。

有一个输出电路，在它的几英尺内是一个低压执行器，它将控制。它们使用相同的电源，在室内工作，在一个相当温和的办公环境中不受天气的影响。第二个环境(仍在室内)在几百英尺外的温控工厂里有一个执行器。在极端的情况下，输出驱动器与执行器在物理上相距约一公里(0.7英里)的距离，在暴露于雪、高湿度夏季和雷暴的开阔场地中。对于没有经验的工程师来说，担心的是设备的保护是否足够或太少，以及是否具有成本效益。

处理上述三种应用的一种实用方法是，首先，附近的室内执行器可以由0到10V控制。由于距离较近，因此对静电放电(ESD)、电磁干扰(EMI)、电磁敏感性(EMS)和射频干扰(RFI)的防护程度可能会降到最低。在第二种情况下，几百英尺的距离将是4到20mA电流环路的候选地，因为它可以最大限度地减少EMI, RFI和ESD拾取。最困难的是有热、雪和闪电的地方，这可能会让它适合混合方法。如果附近有建筑物，可以安装转换器或安装4至20mA电流环路作为通往建筑物的导管。从那里，一个3psi到15psi的气动管线连接到执行器，可以在包括闪电在内的恶劣条件下进行控制。

设计方法

根据应用程序的不同，设计理念可以采取两种截然不同的方式。如图2所示，路径A按原样接收输出板，并提供零保护。或者在路径B中，将如图所示的所有保护电路相加。一些输出保护电路是相互冲突的备选电路。应用程序通常会采取一些中间立场，并结合图2保护的一个子集。

通过描述几个应用程序可以最好地说明为什么会出现这种情况。工业设备的许多考虑因素中的两个是“平均故障前时间”(MTBF)和“平均修复时间”(MTTR)。对于集成电路制造商来说，一个理想的目标是制造一个完全自我测试的芯片。在工厂里和在现场上电时，这个部件会完全测试自己，然后打开一个小绿灯，告诉你:“我很好。”这是个好主意，但可能不实际。例如，额外的测试电路占用的空间是电路本身的五倍。节省了测试成本，但是额外的硅和MTBF的成本证明了这一成本的合理性吗?这是一个好的投资回报吗?答案可能是否定的。有一个电路失败五倍以上的频率可能不是一个好的权衡，但在另一个应用中，它可能是好的。相比之下，如果没有巨大的成本，人类无法修复的电路，例如太空探测器和卫星。也许一个赛道位于山顶，一年有三个月被雪阻挡。也许电路是在生命攸关的设备中，比如飞机，或者电路很容易被人类技术人员接触到。在每种情况下，可以用MTTR交换不同级别的冗余改进的MTBF。

为了深入研究两种工业可编程逻辑控制(PLC)应用，让我们讨论一种情况，其中电路板a在控制室中与人类一起24/7工作，而在另一种情况下，电路板B被隔离在一个对人类来说太危险的地方。首先，我们决定在这两种情况下通过数字隔离来限制系统指令。换句话说，所有输入和输出端口都包含隔离电源和数字隔离。这可以防止输出或输入端的破坏性高电压通过传播并破坏整个系统。在A的情况下，MTTR低，很容易更换板。然而，MTBF可能不支持广泛的保护电路，并导致早期故障。在这种情况下，零或次要保护电路可能是必要的。可以有许多自我修复的保护电路，甚至复制或三倍的电路。投票选择好的电路变得很重要。投票指的是关键或生命保护系统中的冗余。例如，美国航天飞机设计有三台导航计算机来控制火箭和推进器。然而，如果一台计算机产生了不同的结果，两台好计算机将投票超过并忽略故障计算机。

现在让我们回到一些众所周知的电路保护原理，它们提供了用于输出保护的多个重叠概念。如图2所示，ESD、EMI、EMS和RFI设备(4,5)可以分为三类:

1. 电压限制装置:气体放电避雷器，金属氧化物压敏电阻，抑制二极管，可控硅，diac，和开关。

2. 限流和开关装置:熔断器、断路器和热切断器

3. 滤波器，上升时间减少器:电阻器，电感器，线圈，铁氧体磁珠和电容器，所有这些都减缓了瞬态的上升时间，并随着时间的推移扩展了脉冲，从而使其他保护装置有时间发挥作用。低通滤波器也作为DAC输出的重构滤波器。每个电容器的工作电压和自谐振点需要与应用的频率和带宽相匹配。每一个网络都是相互的;它们保护系统免受外界(EMS)的影响，并保护外界免受设备可能接收的任何无意信号(EMI)的影响。

记住这一点，让我们研究图2。往回看，从右边的输出开始，到左边的输入。图2是为了保护从地到高压的单极系统而绘制的。如果输出驱动器可以处理双极输出，地上和地下电压，则可以通过将其倒置并连接两个接地来重复图2，以保护地上和地下。

F1，保护保险丝，表示保险丝，自复位断路器或热切断。F1的替代品是PTC1(正温度系数)聚合物或陶瓷器件(不要忘记它们需要电流才能工作)，或SW1，这是一种高压信号线保护器。这是一个开关，感应高电压，关闭系列开关，然后打开一个钳，以减少在放大器的电压量。D5是一个限流二极管，看起来像一个JFET的源极和漏极捆绑在一起。R4和R5是衰减高故障电压以保护输出驱动器的电阻。FB1减少脉冲上升时间，并及时加宽脉冲，以减少EMI和ESD。

NE1是一种霓虹灯，可以用气体放电避雷管或瞬态电压抑制器(TVS)替换或增强，TVS是一种专门的二极管，可以将电压箝位到已知值。其他电压限制装置，金属氧化物压敏电阻(MOV)，齐纳抑制二极管，可控硅，和diac也可以使用。

电容器是滤波功能的一部分。C1, C2和C3将高频分流到地RFI并集成ESD脉冲，从而减少其上升时间。电阻和电容器形成更好的RC低通重建滤波器(与额外的极)包括R2和C3, R1和C2)。当电感器L1取代R1、L1和C2(2极)或L1、C1和C2(3极)时，它产生一个具有额外衰减的低通重构滤波器。R1和R3作为滤波器终端电阻。

二极管D1-D4是esd保护二极管，箝位放大器输入到电源。D3和D4是硅钳位二极管(0.6V至0.7V正向电压)。高速信号二极管用于低电流，而较大的硅钳位二极管是大电流的通用整流器(观察电压和额定功率)。二极管D1和D2是肖特基箝位二极管，具有0.25V至0.3V正向电压，以更紧密地箝位到电源轨。电阻R1、R2、R3和R4限制上述ESD钳位二极管的电流。

注意ESD二极管D1和D3上面的警告。通过二极管的ESD电压将试图提高电源电压。额外的能量必须去某个地方，如果负载相对较大，电源调节器将暂时减少其电流贡献。这允许负载消散能量。其他电源可能既能产生电流又能产生电流，因此它们可以在保持电源电压在适当水平上发挥积极作用。注意输出板输出驱动器上的电源，当来自ESD二极管D1和D3的电源电流使VCC或电源轨不至过高时，齐纳数模会正向偏置。输出板的二极管DB将为负电源轨服务相同的目的。

最后，应用、电路成本、可靠性、电路板更换的便利性和设计理念将决定应用多少保护。我们不是超人，我们不能向超级英雄求助。在最好的情况下，我们希望提供一份可能性清单，以帮助思考过程，并帮助确保考虑到最可能的情况。有意识地决定包括或排除电路元件，比在以后因为没有事先想到的事情而感到惊讶要好得多。

参考电路

(1)本杰明·富兰克林:《穷理查年鉴大全》第二卷，1748-1758年。马塞诸塞州巴雷:《印记社会》，1970年。第375、377页。

比尔·劳迈斯特。Maxim综合教程4645，“动力工程师:设计中的超级英雄?”包括ESD, EMI, EMS, RFI保护理念的信息。

(3)戴维斯，艾伦和法默，马克。《美国正义联盟:钉子》，Elseworlds, DC漫画，1998年8月- 1998年11月。
www.dccomics.com/graphic-novels/justice-league-of-america-the-nail。

比尔·劳迈斯特。Maxim综合教程4991，“哎呀……实用的ESD防护与愚蠢的安慰剂。”

比尔·劳迈斯特。Maxim综合应用笔记4491，“闪电或火花造成的伤害——取决于你的身高!”

比尔·劳迈斯特。Maxim集成教程4993，“减少人为错误的机会:第2部分，接口的超级放大器和滤波器”，包括I/O，接口电路和数字端口信号保护思想。

比尔·劳迈斯特。Maxim综合教程5065，“R o易感性-用抗生素、疫苗或物理定律治疗?”