摘要：开关或继电器断开、闭合时由于抖动产生的电弧会威胁系统的可靠性；另外，静电也将对系统可靠性和正常运行带来危害。因此，即使是有经验的系统工程师，在设计工业或汽车应用场合控制系统的外部接口时也面临很大的挑战性。本文将简化设计工程师针对恶劣的工业或汽车应用环境下控制器与外部的接口的设计任务。
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关键词：开关、继电器、开关去抖、MAX6816
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| 开关抖动的影响 |
理想开关在外部激励作用下瞬时发生状态改变，导通电阻为零。当然，这种开关在实际应用中是找不到的。实际开关都有一定大小的电阻，通常称之为接触电阻，阻值随时间、开关次数的增加而变大。新的开关，其接触电阻范围通常为：50mΩ100mΩ，具体阻值大小与开关的触点材料、流过电流大小、环境条件及使用场合都有关系。当开关改变开、合状态时，都要经历几个不稳定周期，即“接触抖动”才能进入稳态。图1中，24V（工控中采用的典型供电电压）电压源通过一个按键式开关连接到一个电阻器。我们注意到该开关闭合至少经历4个抖动周期，输出电压才能稳定到24V。对于一个数字控制系统而言，瞬态过程可以理解为发生了4次单独的闭合操作。
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由于汽车或工控系统要求实时、精确地改变状态，因此不允许出现开关抖动。影响开关额定参数的因素有许多，包括功率因素、交流或直流电压、电压幅度、负载类型（电灯或电机，即负载是阻性，容性还是感性）、以及流过开关电流的大小。通常，开关的交流额定值定义在一定的电流大小和功率因素条件下，其工作电压必须小于该额定参数。开关的负载类型对其额定值影响很大。阻性负载，譬如钨丝加热器影响最小。感性负载在开关开、合时将对开关产生额外影响，在开关闭合瞬间会产生比稳态时高出2--9倍的浪涌电流，抖动现象在开关的断开和闭合过程中都会出现，产生的电弧会导致接触磨损、增大接触电阻、降低可靠性。
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最恶劣的情况是连接电灯或容性负载。在开关闭合瞬间，两种负载都造成开关回路瞬间短路，这是因为灯泡未通电时其电阻几乎为零，而放电电容器在加电瞬间也呈短路状态。因此开关闭合时，产生的浪涌电流比其稳态时的电流可能高出100倍。开关在此短路过程中产生抖动，而大电流和接触抖动又导致开关过程产生电弧，从而使开关触点腐蚀，甚至导致开关触点熔化、造成短路故障。
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为了避免因开关老化引起的信号衰减，应避免信号通过那些控制功率的开关触点，譬如，控制电机，电灯等负载的开关触点。同样，对于任何经过了开关触点连接到微控制器或工控系统的信号输入，都必须采用软件或硬件去抖动技术。随着产品设计周期日益缩短，现在很难找到没有实时性要求的微控制器，其内部定时器、RAM、中断控制器、甚至查询去抖动子程序，都需要占用CPU处理时间，造成CPU时间资源紧张。这就需要采用一种能减少系统成本、减轻对处理器依赖程度、减少PCB板面积的方案，从而提高系统可靠性。
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| 开关去抖动电路 |
图1电路利用一个简单的下拉电阻不足以使开关产生确定的状态控制。图2所示电路是传统的开关去抖动电路，它由2个电阻和2个或非门构成了一个R-S触发器。当开关断开时，电阻R1和R4下拉R或S输入端，同时限制了VCC到地的电流大小，否则开关触点会因短路而熔化。当开关连接到S输入端时，Q端输出逻辑高电平。因此，开关抖动仅仅在S输入端产生一个逻辑低输入，不会引起Q端输出状态的改变，这是因为R输入端的下拉电阻保证R端低电平输入。Q端高电平输出状态一直保持到开关切换至R输入端。此时Q端输出低电平，且不会因为开关抖动而发生状态改变。该电路是可行的，但它需要一个SPDT开关，成本比采用SPST开关高，体积尺寸大。而较大的开关、电阻和或非门需要占用较大的板面积。不仅如此，当R和S在某个瞬间同时处于高电平输入时，Q的输出状态不确定。这种情况在现场维修保养时很容易出现，例如R、S端被表笔短接。由于“先合后开”型开关也会导致输出状态不确定，因此必须采用“先开后合”型开关。另外由于该电路并不包含电平变换电路，因此开关需要3根线才能工作。
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新型开关去抖动技术是利用开关去抖集成电路减少了电路元器件数目、功耗、以及电路板面积（如图2b所示）。其中，U1是一个CMOS开关去抖芯片，直接与SPST开关相连。输入端内部集成了63kW上拉电阻，保证开关断开时提供逻辑高电平输入信号，节省了PCB板面积。闭合开关将使输出端产生逻辑低电平。直到输入端稳定40ms以上的时间后，OUT端的状态才改变，消除了开关抖动的影响。由于开关负载是内部一个63kW的阻性负载，保证了开关可靠性、并大大延长了开关使用寿命。不仅如此，该芯片的欠压锁存功能保证了在汽车或工控环境中一个至关重要的条件，即输出端OUT在上电过程中必须是一个明确的状态。由于该电路仅需要很少的外部元件，一个廉价的SPST开关、两条开关连线，因而提高系统可靠性、降低了系统成本。
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| ESD保护 |
研究结果表明，因ESD引起的电子器件或系统失效占总失效的比率大约为：10%--30%。物体产生静电的形式多种多样，比如，两个物体相互摩擦会产生静电，即通常的摩擦生电，或当从PCB板剥下一段塑料外皮时，也会产生静电。另外，汽车高压绝缘失效时，其高压点火系统产生很高的电压从而发生球形放电现象，等等。
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避免ESD损坏必需考虑环境因素，例如湿度---湿度大可以减少ESD现象，但不能完全杜绝。另外，防静电腕带、防静电地面、放静电工作台面都有一定的ESD保护功能。但这些都不能从根本上解决问题，还必须在电路中采用某种形式的ESD保护措施，以防止带静电的物体直接或间接碰到系统I/O口线。TVS二极管（瞬态电压抑制二极管）和集成电路可以保护系统免遭静电或瞬态高压破坏，TVS二极管通过对输入瞬时高压进行低压钳位以保护后级电路，并且TVS管本身也不会损坏。有多家公司都能提供这种TVS管，工作电压范围从+5V到+24V。使用TVS二极管（非表面安装器件）时，引线应尽可能短，以减小寄生电感，因为该电感会延长TVS管的响应时间，从而部分抵消其保护功效。
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图2b电路中，MAX6816-MAX6818允许的输入信号电压范围高达±25V，同时具有±5KV的ESD保护能力。它提供的ESD保护在各种状态都发挥作用，无论是正常工作期间，还是上电、掉电过程、甚至当IC关闭时都起作用。这种类型的ESD保护和如此高的输入电压范围对汽车和工控环境的微控制器十分理想。采用这种把ESD保护和开关去抖动功能集成一体的器件，能够大大减小电路板面积，减少元件数量，从而提高系统的可靠性、改善系统性能。
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