詳解各種便攜式電子產(chǎn)品中的保護電路
電路保護是設(shè)計的重要工作
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/367059.htm在電子產(chǎn)品中最重要的設(shè)計工作是電路設(shè)計。電路可分為兩類:功能電路和保護電路。功能電路(如電源電路、振蕩器電路、A/D變換電路等)是用來實現(xiàn)電子產(chǎn)品各種功能的;而保護電路(過流保護電路、過壓保護電路及過流、過壓保護電路)是用來保護功能電路,以實現(xiàn)電子產(chǎn)品的安全性、可靠性及耐用性的。
近年來,便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展迅速,如MP3、MP4、PMP、DVD、數(shù)碼相機及攝像機,筆記本電腦、上網(wǎng)本(一種小型筆記本電腦)和智能手機等。這些便攜式電子產(chǎn)品的主要特點是功能多、電路復(fù)雜、工作頻率高、頻帶寬、信號傳輸率高,并且體積?。ㄈ坎捎肧MD元器件),這對電路保護提出了更高的設(shè)計要求。在手機、筆記本電腦一類便攜式電子產(chǎn)品中,由于其工作頻率高、頻帶寬、要求高數(shù)據(jù)傳輸速率,電路保護設(shè)計的優(yōu)劣就不僅涉及電子產(chǎn)品的安全性、可靠性和耐用性,同時也涉及到電子產(chǎn)品的性能質(zhì)量及成本。所以,電路保護是電子產(chǎn)品設(shè)計的重要工作。
電路保護的重要性
現(xiàn)在的便攜式電子產(chǎn)品中,電路保護的范圍極寬,數(shù)量也多。這里舉兩個典型便攜式電子產(chǎn)品來說明電路保護的重要性。
1 手機
手機的發(fā)展從單一的通話到能實現(xiàn)聽音樂、拍照、上網(wǎng)、看電視、GPS等功能的智能手機,電路愈加復(fù)雜,而相應(yīng)的保護電路范圍也不斷擴展。圖1是手機中需要保護的各個部位。
圖1 手機中需要保護的部件
2 筆記本電腦
筆記本電腦已成為一種時尚的便攜式電子產(chǎn)品,最近開發(fā)出的“上網(wǎng)本”更受到年輕人的青睞。筆記本電腦比手機更復(fù)雜,其需要保護的部件范圍更廣(見圖2)。
圖2 筆記本電腦中需要保護的部件
這里要說明的是,圖1及圖2中的便攜式電子產(chǎn)品還不是最新的產(chǎn)品,但也能看出來電路保護的范圍之廣及數(shù)量之多,可見保護電路在這些產(chǎn)品中的重要性。
正是這些保護元器件才實現(xiàn)了電子產(chǎn)品的安全性、可靠性和耐用性,并且減少了用戶的維修次數(shù)、維修費用及設(shè)有手機及筆記本電腦對工作帶來的影響。
保護元器件的種類及工作原理
保護元器件分為三類:過流保護、過壓保護及過流、過壓保護。它們的基本工作原理如下。
1過流保護
過流保護元件是一種非線性正溫度系數(shù)熱敏電阻(PPTC),如圖3所示。一旦有過流狀態(tài)出現(xiàn),過大的電流讓保護元件發(fā)熱使阻值發(fā)生變化,由低阻態(tài)躍變?yōu)楦咦钁B(tài),從而限制電流,使被保護的電路免受過流損壞;在過流故障排除后,保護元件冷卻,自動由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài),恢復(fù)正常工作。這種保護元件稱為自復(fù)式過流保護元件,如泰科電子公司的PolySwitchTM元件。
圖3 PolySwitchTM元件工作電路
2 過壓保護
過壓保護元器件并聯(lián)在被保護的電路上(見圖4)。在輸入電壓未過壓時,過壓保護元器件呈高阻態(tài),其泄漏電流甚微;一旦輸入電壓過壓時,過壓保護元器件在瞬間提供低阻抗通路,并將電壓鉗位于安全的低電壓,從而保護電路免受過壓損害。當(dāng)輸入電壓降落到正常工作電壓時,過壓保護元器件會自動恢復(fù)到高阻態(tài)。泰科電子公司的多層壓敏電阻(MLV)及ESD保護元件PESD就是常用的過壓保護元件。
圖4 過壓保護元件工作電路
3 過流、過壓保護
過流、過壓保護器件是過流保護元件與過壓保護元件組成的模塊(集成電路),如圖5所示。它能在輸入電壓過壓或由于短路造成過流故障時,保護電路不受損害。
圖5 過流、過壓保護器件工作電路
泰科電子公司的PolyZenTM元件就是常用的過流、過壓保護器件。
便攜式產(chǎn)品的保護元器件的特點
為滿足便攜式電子產(chǎn)品對保護元器件的要求,保護元器件應(yīng)具有下述特點。
1 性能
● 響應(yīng)時間要短;
● 自身的功耗要小,可延長電池壽命;
● 性能穩(wěn)定,并且壽命長;
● 不影響被保護電路的性能;
● 滿足對環(huán)境的要求(無鉛,符合RoHs規(guī)范)。
2 封裝及尺寸
● 貼片式(SMD)封裝,滿足SMT要求;
● 封裝尺寸小(占PCB面積?。┘捌拭娓叨刃 ?/p>
3 其他
● 可以采用回流焊焊接工藝;
● 價格低,降低產(chǎn)品成本。
PolySwitchTM元件及其應(yīng)用電路
PolySwitchTM元件是一種自復(fù)式聚合物非線性正溫度系數(shù)(PPTC)熱敏電阻。泰科電子公司在1995年就開發(fā)了貼片式 miniSMDTM過流保護元件,近年來又開發(fā)出microSMDTM、nanoSMDTM及picoSMDTM等尺寸更小的系列。另外,在 miniSMDTM系列中增加了24V、60V的新品種及在microSMDTM系列中增加了2.0A的品種。
PolySwitchTM元件的主要參數(shù):在未過流時,其電阻值很小(不同的額定電壓下阻值不同,一般為零點幾Ω到幾Ω);在過流發(fā)生時,其電阻值可達mΩ,電流極小接近“斷開”,且斷開時間(time-to-trip)更短。
該元件的封裝尺寸??;電流為0.05~3A;電壓為6~60V;常態(tài)時阻值??;通過UL、CSA及T哣論證。
該元件應(yīng)用范圍極廣,主要為計算機、便攜式電子產(chǎn)品、多媒體、游戲機、移動電話,同時也適用于汽車、工業(yè)控制及電池等。
圖6 用PolySwitchTM元件實現(xiàn)過流保護
PolySwitchTM元件在便攜式電子產(chǎn)品適配器(外接電源)中的過流保護如圖6所示。圖中結(jié)構(gòu)用了兩個PolySwitchTM器件,可防止短路時損壞適配器。
圖7 用PolySwitchTM元件對充電器進行保護
充電器是便攜式電子產(chǎn)品中是必要的附件,圖7是充電器中PolySwitchTM元件的應(yīng)用。圖7中的虛線框內(nèi)是電池組,PolySwitchTM元件在其中作充、放電過流保護。
MLV、PESD及其應(yīng)用電路
MLV、PESD都是過壓保護元器,它們除用過壓保護外,也是靜電放電(ESD)保護元件。在插拔便攜式產(chǎn)品的各種插頭時,各端口很容易受到靜電放電的損壞,因此插拔端口都需要加ESD保護元器件。
在傳輸信號的端口上增加ESD保護元器可以防止靜電放電的損害,但由于ESD保護元器自身有一定的電容,在高速信號傳輸過程中,會造成信號的衰減及失真。所以,高速數(shù)據(jù)傳輸端口的ESD保護元器件的正確選擇十分重要。
MLV的電容量較大(40~220pF),主要用于直流及數(shù)據(jù)傳輸率較低的端口。但MLV中的“E”系列,其電容量較小,僅3~12pF,可以適用于較高的數(shù)據(jù)傳輸速率的端口作ESD保護。
PESD是專門為高數(shù)據(jù)傳輸率端口作ESD保護所開發(fā)的保護元件。由于它的電容量極低(0.25pF),所以能滿足IEEE1394及HDMI1.3的要求,在高速數(shù)據(jù)傳輸時滿足了信號傳輸質(zhì)量。因此在高清電視、LCD等離子電視、筆記本電腦和手機等產(chǎn)品中都采用PESD作ESD保護元件。
圖8 PESD的抑制特性曲線
ESD的主要特性:泄露電流要小,響應(yīng)時間要短(《1ns),相位電壓要低,電容量要小。
PESD有倆種型號:PESD0603-240及PESD0402-140,其電氣特性如表1所示,其抑制特性曲線如圖8所示。
ESD元件最重要的參數(shù)是電容量。一般MLV的電容量是40~220pf,E系列的電容量是3~12pf;而PESD的電容量僅為0.25pf。
圖9 2.25GHz下的ESD保護元件眼圖
圖10 3.4GHz下的PESD眼圖
圖11 顯示端口保護電路
不同工作頻率及要求ESD保護元件的電容量關(guān)系如表2所示。常用的ESD保護元件比較如表3所示。
采用硅ESD保護元件在2.25GHz時的眼圖如圖9所示,而采用PESD元件在3.4GHz時的眼圖如圖10所示,這兩圖的比較說明了PESD的優(yōu)良性能。
圖11是一種典型的顯示端口保護電路。2.7GHz的高頻信號線采用8個PESD保護元件,輔助通道工作頻率為1MHz,采用5個MLV保護元件;在低壓直流電源中則采用了PolySwitchTM元件作過流保護。這樣的設(shè)計既滿足電路能耗要求,并且降低了成本。
圖12 USB2.0接口保護電路
圖13 IEEE1394接口保護電路
圖12及圖13分別是USB2.0接口電路的保護電路設(shè)計及IEEE1394接口電路的保護電路設(shè)計。
PolyZenTM元件及其應(yīng)用電路
PolyZenTM元件器件是由精密齊納二極管和聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)元件組合而成的集成電路。它是用于防止感應(yīng)尖峰電壓、瞬間高電壓、錯用電源適配器對電路產(chǎn)生過壓、過流危害的保護器件,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14所示。其典型應(yīng)用電路如圖15所示。在圖15中,RLOAD為被保護的下游電路。
圖14 PolyZenTM元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖15 PolyZenTM元件典型應(yīng)用電路
在正常工作時,VIN輸入電壓高于齊納二極管的擊穿電壓VZ,有IFLT電流經(jīng)齊納二極管到地,VOUT輸出穩(wěn)定的電壓。有不正常的過壓輸入VIN時,則齊納二極管的IFLT會產(chǎn)生過流,當(dāng)器件上有過流時,其電阻由低阻態(tài)瞬變到高阻態(tài),使在其上的壓降大增,VOUT輸出基本不變,而流過齊納二極管的電流 IFLT反而減小,如圖16所示。器件上電壓降的增大既保護了齊納二極管,又保護了下游的電路。另外,若被保護的下游電路中存在有局部短路或短路故障時,IOUT會增加,PPTC元件由低阻態(tài)變成高阻態(tài),可使電路得到過流保護。
圖16 PolyZenTM元件工作時的電壓或電流變化
該器件的主要特點:保護下游電子元器件免受過壓及反向偏壓的損害(例如5V的適配器錯用了12V的適配器或極性接反);由于PPTC元件的作用,減少了齊納二極管散熱的要求,減小占PCB的面積及降低成本;在過壓故障時,VOUT輸出基本不變;齊納二極管的耐受能量大,可達30W;小尺寸貼片或 4mm×4mm封裝。
該器件主要應(yīng)用于便攜式多媒體播放器(PMP)、GPS、5V和12V硬型驅(qū)動器的總線保護、USB5V總線保護等。
該器件有9個品種,其電氣特性如表4所示。其中,ZEN132V230A16LS及ZEN056V075ALS是即將上市的新產(chǎn)品。
結(jié)語
由于電路保護元器件看起來是一些結(jié)構(gòu)簡單的元器件,往往不被人重視。在眾多電路書籍中,沒有介紹保護電路或僅介紹幾種老產(chǎn)品(如保險絲、氧化鋅壓敏電阻及TVS),這方面的技術(shù)書籍跟不上產(chǎn)品的發(fā)展的需要,所以資料的來源主要是電路保護元器件生產(chǎn)廠商的數(shù)據(jù)資料及應(yīng)用指南。
由于篇幅所限,本文僅簡單地介紹了泰科電子公司幾種應(yīng)用在便攜式電子產(chǎn)品中的保護原器件。另外,保護元器件的應(yīng)用范圍極寬,除便攜式電子產(chǎn)品外,還有通信、汽車、醫(yī)療儀器、家用電器、工業(yè)控制等領(lǐng)域。
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