le="display: block;">防靜電、防過電流和過電壓沖擊是目前中國工程師設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)必須考慮的一個(gè)問題,否則這些產(chǎn)品的市場銷路肯定會大打折扣。本文集中探討了目前市場上所有的電路保護(hù)技術(shù),并展望了未來電路保護(hù)器件的發(fā)展方向。
C.H. Goh
技術(shù)經(jīng)理
Littelfuse Far East Pte Ltd
為滿足更小、更快且更低廉產(chǎn)品的需要,電路設(shè)計(jì)人員正采用VLSI??I設(shè)計(jì)和新的IC技術(shù)。不過,采用這些技術(shù)不僅將增加電氣過載EOS(如ESD、瞬態(tài)電氣沖擊和閃電)的威脅,而且還需要加裝電路保護(hù)器件。
據(jù)估計(jì),約75%的現(xiàn)場設(shè)備故障因EOS而引起過電或過壓,因此電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)該注意引發(fā)EOS的條件,并提供適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)以確保設(shè)備安全可靠地工作。
電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)該清楚地理解每一個(gè)電壓和電流參數(shù)、以及特定電路和元器件的限制,他們還應(yīng)該隨時(shí)注意眾多利用材料和電路技術(shù)方面的進(jìn)步設(shè)計(jì)出的省空間和低成本的電路保護(hù)器件。
過流保護(hù):保險(xiǎn)絲
設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可選擇幾種技術(shù)以提供過流保護(hù),這些技術(shù)包括傳統(tǒng)的熔絲管(玻璃和陶瓷型)、薄膜保險(xiǎn)絲和基于聚合物的正溫度系數(shù)(PTC)器件。
表面安裝型保險(xiǎn)絲
薄膜保險(xiǎn)絲屬于外形小巧類表面安裝元件,可為下一代計(jì)算機(jī)和電信/數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品中的昂貴IC提供過流保護(hù)。典型的蜂窩電話一般都有多個(gè)為更昂貴的VLSI電路提供過流保護(hù)的薄膜保險(xiǎn)絲,這些電路可工作于不同的額定電流和額定電壓。表面安裝型保險(xiǎn)絲(SMF)的典型封裝尺寸為1206(×)和0603(×),這些保險(xiǎn)絲最大允許電流為:1206型7安培,0603型5安培。這些芯片保險(xiǎn)絲可提供與電池組、蜂窩電話、筆記本、LCD監(jiān)視器、PDA和調(diào)制解調(diào)卡匹配良好的緊湊設(shè)計(jì)。當(dāng)前用薄膜技術(shù)設(shè)計(jì)出的最小保險(xiǎn)絲尺寸為0402,允許的電流范圍從250mA到2A。
通用模塊型保險(xiǎn)絲(UMF)
市場上現(xiàn)有的保險(xiǎn)絲均遵循UL248或IEC技術(shù)規(guī)格,遵循IEC 127標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)5×20mm熔絲管已得到UL認(rèn)證,并獲得UR(UL認(rèn)證)證書,因此安裝這類保險(xiǎn)絲的產(chǎn)品在北美可獲得銷售許可。不過,盡管IEC 127-4標(biāo)準(zhǔn)概述了通用模塊型保險(xiǎn)絲(UMF)的技術(shù)規(guī)格,但目前市場上尚無得到任何IEC代理機(jī)構(gòu)認(rèn)證的表面安裝型保險(xiǎn)絲。NANO2通用模塊型保險(xiǎn)絲據(jù)稱是第一種滿足IEC 127-4規(guī)范的產(chǎn)品,其額定電壓為125V,額定電流可為500mA、1A和。
PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲
PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲的工作原理是,在過流情況下通過調(diào)高自身電阻來保護(hù)電路免受損害,一旦電流恢復(fù)正常,PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲能自動恢復(fù)到正常低阻值,并允許電流通過。這些特性使得PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲成為電池供電和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用的理想選擇,因?yàn)檫@些應(yīng)用在更換電池或熱插拔數(shù)據(jù)連接時(shí)可能會出現(xiàn)瞬間電涌。PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲通常在某些電路中取代傳統(tǒng)的玻璃保險(xiǎn)絲,并主要用于USB應(yīng)用。
選擇PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲還是普通保險(xiǎn)絲
這兩種保險(xiǎn)絲都通過感應(yīng)電路中過電流產(chǎn)生的熱量來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,普通保險(xiǎn)絲通過熔化來中斷電流,而PTC則通過將低阻改變?yōu)楦咦鑱硐拗齐娏鳌＠斫膺@兩種類型器件之間的差異將有助于選擇最好的電路保護(hù)器件。在選擇過流保護(hù)器件時(shí),通常考慮以下四個(gè)因素:
1)可復(fù)位性:兩者最明顯的差異在于PTC是可復(fù)位的,通常過流發(fā)生后采取的步驟是先斷電,然后使器件冷卻下來。
2)阻抗:產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格顯示,在額定值大致相同的情況下,PTC具有保險(xiǎn)絲兩倍以上的阻抗。這個(gè)特性在設(shè)計(jì)電池供電設(shè)備時(shí)尤其突出,高阻抗器件增加的電能消耗不僅會縮短電池的壽命,而且還將導(dǎo)致更頻繁的充電操作。
3)時(shí)間/電流特性:比較PTC和保險(xiǎn)絲的時(shí)間/電流曲線圖,PTC的響應(yīng)速度比普通保險(xiǎn)絲要慢得多,而這一點(diǎn)對保護(hù)電路中異常敏感的部分特別關(guān)鍵。
4)尺寸:普通保險(xiǎn)絲的功率密度比PTC大得多,高達(dá)5安培的保險(xiǎn)絲已可采用0603封裝,2安培的則采用0402封裝。最佳尺寸的表面安裝型PTC的最大額定電流為,采用1812封裝,業(yè)界主要制造商正在開發(fā)1206封裝,并致力于增加電流承載能力。
過壓保護(hù)
任何電子設(shè)備均可能出現(xiàn)瞬態(tài)電壓,它通常是由電路故障、雷擊或ESD而引發(fā)的。現(xiàn)在已開發(fā)出幾種提供過電壓電路保護(hù)的元器件,包括二極管、MOV、MLV、瞬態(tài)電壓抑制器和ESD抑制器。
變阻器
金屬氧化物變阻器(MOV)專為抑制汽車、電信和交流電應(yīng)用中的過電壓而設(shè)計(jì)。MOV是一種電壓鉗位元件,其阻抗與電壓相關(guān)聯(lián),如電壓超過其閾值則其阻抗將變得非常小。MOV具有高度非線性電壓阻抗(V-I)特性,反應(yīng)速度快,能承受很高峰值電流,待機(jī)狀態(tài)下漏泄電流又較低。
MOV的主要應(yīng)用是保護(hù)那些必須滿足“瞬態(tài)電壓浪涌抑制器”UL1449所列要求的產(chǎn)品免受雷電損害。鄰近著地雷或高空雷都可能在初級和次級電路中產(chǎn)生電壓,而直接雷擊能夠在交流電源和電話線中產(chǎn)生高壓電涌。在敏感電路中安裝的MOV器件可以將雷擊帶來的不利影響最小化。
多層變阻器(MLV)較小,是一種適合于保護(hù)便攜式和計(jì)算機(jī)設(shè)備中低電壓電路的表面安裝型無引腳芯片變阻器。同MOV一樣,在電壓超過其閾值時(shí)MLV就變得高度導(dǎo)電。MLV可以具有不同的電壓和電流額定范圍,以滿足各種應(yīng)用要求,容值僅為10pF的新款0402 MLV在蜂窩電話中得到了極好的應(yīng)用。
典型的變阻器主要是為工作于或更低電壓的電路板應(yīng)用而設(shè)計(jì),這些表面安裝器件通常應(yīng)用在移動通信、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療和便攜式設(shè)備中。
瞬態(tài)電壓抑制器
瞬態(tài)電壓抑制器是另一種選擇,Surgector就是其中之一,它專為有線通信系統(tǒng)提供二級保護(hù)而設(shè)計(jì)。Surgector采用硅閘流管技術(shù)以提供雙向鉗位保護(hù),該器件可用來吸收電信電路的暫態(tài)波形和高峰值浪涌電流。Surgector有雙極性、單極性和可編程SCR三種類型,并采用表面安裝、DO214AA封裝和直插型TO-202封裝。
ESD抑制器
現(xiàn)代電子系統(tǒng)(不論是移動的、機(jī)載的,還是陸基的)中的高密度電路,都很容易受到靜電或ESD的侵害。一般人體能產(chǎn)生超過15kV的ESD,因此為了有效防止ESD侵害,要求許多新的電子設(shè)備必須滿足IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。
傳統(tǒng)的鉗位二極管和多層變阻器(MLV)通常用來保護(hù)低速高功耗晶體管電路,不過,隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步,市場正向低電壓高速集成電路方向發(fā)展,這些具有較大寄生電容的器件可能會導(dǎo)致信號傳輸失真。目前一種從聚合物正溫度系數(shù)(PTC)技術(shù)發(fā)展而來的新器件具有處理常出現(xiàn)在IC之間的較大ESD脈沖所需的性能。
靜電(ESD)抑制器的聚合物結(jié)構(gòu)使得制造商可生產(chǎn)出各種形狀因子和配置的ESD抑制器,以滿足各種不同應(yīng)用的需要。該器件具有小于1pF的電容,可提供良好的限制信號降級和衰減的性能,以保證高速數(shù)據(jù)線(如USB 2.0和下一代電池組電路設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)線)能正常工作。
下一代電池組電路保護(hù)
便攜式應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展使得對電池組和保護(hù)電路的需要也不斷增加,市場需要更小尺寸、更低成本和更長壽命的電池組,同時(shí)用戶又不希望犧牲已成為鋰離子和鋰聚合物電池標(biāo)準(zhǔn)的高級別安全性,電池組設(shè)計(jì)人員已對這些挑戰(zhàn)作出反應(yīng),并正致力于研究減少保護(hù)電路中元件數(shù)目的方法。
隨著多功能保護(hù)IC的出現(xiàn),電池組設(shè)計(jì)人員也將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向采用單個(gè)多功能保護(hù)器件的安全應(yīng)用。雖然IC很容易集成多種功能,但它們?nèi)菀资艿紼SD和熱過載的影響。由于電池組的終端是裸露的,因此ESD對它的影響很大。ESD可導(dǎo)致災(zāi)難性損害,它可使電池組失效,或者帶來危害更大的潛在故障,因?yàn)閺谋砻鎭砜礉撛诠收喜⑽磳ΡＷo(hù)IC造成任何影響,但實(shí)際上在某些條件下它將使得保護(hù)IC不能正常工作或進(jìn)行預(yù)期的保護(hù)。隨著市場越來越依賴保護(hù)IC,對電路來說ESD保護(hù)也變得非常關(guān)鍵。分立二極管、多層變阻器或基于聚合物的ESD解決方案對保護(hù)IC的ESD結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有益補(bǔ)充,提供最高至15kV的ESD保護(hù)。
除了ESD,保護(hù)IC還容易受到長時(shí)間過載條件下的熱應(yīng)力影響。由于IC的擊穿特性,因此有可能存在一種故障模式,即電路在安全工作限制之外仍能正常工作。隨著對多功能保護(hù)IC依賴的增強(qiáng),保險(xiǎn)絲保護(hù)方案僅用于冗余保護(hù)。
在降低下一代便攜式應(yīng)用系統(tǒng)成本和尺寸的設(shè)計(jì)趨勢下,設(shè)計(jì)人員正致力于用多功能保護(hù)IC來替代多個(gè)分立元件。為繼續(xù)保持用戶期待的高級別安全性,電池組設(shè)計(jì)人員正在用多功能保護(hù)IC實(shí)現(xiàn)的簡單電路取代功能差不多的ESD和保險(xiǎn)絲保護(hù)。這可使設(shè)計(jì)人員在降低整體系統(tǒng)成本的同時(shí),繼續(xù)保持便攜式設(shè)備用戶期待的安全保護(hù)性能。
UL 1950第3版技術(shù)規(guī)格
對電路保護(hù)需求快速成長的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是連接到電話線的設(shè)備,隨著與因特網(wǎng)連接需求的不斷擴(kuò)大,市場上對調(diào)制解調(diào)器的需求也急速增加。2000年4月,所有的調(diào)制解調(diào)器必須達(dá)到嚴(yán)格的UL、Bellcore和FCC技術(shù)規(guī)格,以保護(hù)電話網(wǎng)絡(luò)免受過流的損害,并保護(hù)調(diào)制解調(diào)器或調(diào)制解調(diào)卡免遭火災(zāi),因?yàn)殡娫捑€常常與電力線排放在一起。2000年4月,修訂版UL技術(shù)規(guī)格被強(qiáng)制成為所有連接到電話線網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)設(shè)備的新設(shè)計(jì)規(guī)格。保險(xiǎn)絲和Surgectors保護(hù)也可滿足UL1950第3版/UL1459、FCC 47第68部分和Bellcore GR-1089-CORE規(guī)格中許多嚴(yán)格的對卡式調(diào)制解調(diào)器形狀因子的要求。
表面安裝型電信保險(xiǎn)絲的尺寸為×,額定電流為0.5安培到安培,與被保護(hù)電路串聯(lián)使用；而Surgector采用并聯(lián)放置,并具有多種擊穿電壓以適合各種應(yīng)用。
高速IEEE 1394
高速IEEE 1394(通常又被稱為“Firewire”)為多媒體應(yīng)用提供了巨大的機(jī)會。這是從與USB類似的思想發(fā)展而來的技術(shù)規(guī)格,但是應(yīng)用在帶寬更高的外設(shè),如CD驅(qū)動器、DVD驅(qū)動器和桌面視頻應(yīng)用。其傳輸速率指標(biāo)為400Mbps,最終將實(shí)現(xiàn)3200 Mbps,Firewire規(guī)格要求工作電流為,背板電壓為6-40V。
采用1812封裝、應(yīng)用電壓高達(dá)33V的新款PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲專為該應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
USB端口保護(hù)
通用串行總線(USB)是許多多媒體制造商采用的技術(shù)規(guī)范,它為添加和配置計(jì)算機(jī)外設(shè)提供統(tǒng)一的協(xié)議,該總線設(shè)計(jì)要求統(tǒng)一端口尺寸和匹配連接器。USB采用單主機(jī)多集線器概念,為添加和連接不同外設(shè)提供了統(tǒng)一而且簡單的方法,它允許通過感應(yīng)USB兼容設(shè)備的添加或移除,來進(jìn)行自動配置。這一主機(jī)交換和集線器供電設(shè)備可用來說明電路保護(hù)的必要性。
計(jì)算機(jī)制造商主要采用PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲,不僅因?yàn)樗捎帽砻娣庋b,而且它的成本比其它USB電源管理解決方案相比也很有競爭力。由于每個(gè)USB端口都具有很容易被隔離開來的優(yōu)異性能,一些設(shè)計(jì)人員采用低安培數(shù)器件對每個(gè)USB端口進(jìn)行保護(hù)。不過,尋求更低成本解決方案的制造商會采用一個(gè)高安培數(shù)器件來保護(hù)掛在同一總線上的四個(gè)USB端口。采用1812封裝的額定電流為的器件專為此類應(yīng)用而設(shè)計(jì),它也有助于減小低阻抗單端口設(shè)計(jì)的功耗。
在過電壓保護(hù)應(yīng)用中,設(shè)計(jì)人員通常在USB 1.0產(chǎn)品中采用二極管或MLV。隨著USB 2.0速度的增加,這些元件的寄生電容變得很關(guān)鍵,新型ESD抑制器的寄生電容必須很小才能滿足USB 2.0的要求。
未來產(chǎn)品
隨著電子工業(yè)界探索更多增加效率和功能、降低產(chǎn)品成本和制造更緊湊便攜式產(chǎn)品的方法,新的設(shè)計(jì)趨勢是在單個(gè)封裝中集成更多不同類型的元件,以提供一個(gè)完整的電路保護(hù)解決方案。將過壓/過流器件、過溫/過壓器件和ESD抑制器集成在一起的新產(chǎn)品正在開發(fā)之中,它們將形成電路保護(hù)技術(shù)的又一次革命。
