用于移動電子設(shè)備的電路保護(hù)方案

　　便攜式媒體播放器、導(dǎo)航設(shè)備、智能手機、PlayStation以及其他電池供電的便攜式設(shè)備的移動功能，為消費者提供了一種生活方式——可以將家里、辦公地點以及交通工具三者之間越來越緊密地聯(lián)系在一起。然而，這種便捷伴隨著一定的風(fēng)險。這些產(chǎn)品的每次開啟和關(guān)閉都可能會因為用戶失誤、電源電壓不正確或者是瞬態(tài)電壓或瞬態(tài)電流而導(dǎo)致電路損壞。

　　移動多媒體設(shè)備正在從以音頻為主的設(shè)備向以視頻存儲為主的設(shè)備演變，對電源、數(shù)據(jù)傳輸速率以及電路設(shè)計的尺寸都提出了更高的要求。這些越來越小的移動設(shè)計也提出了更小、更可靠的電路保護(hù)器件的需求。通過在材料科學(xué)以及更高效設(shè)計方面的加速研究，電路保護(hù)器件制造商通過開發(fā)具有更小、更方便的封裝且滿足現(xiàn)有性能水平的新器件來跟上發(fā)展的步伐（如圖1所示）。

圖1 新的電路保護(hù)方式支持最新的移動設(shè)備

　　這篇文章通過兩個例子來探究新的電路保護(hù)技術(shù)如何幫助設(shè)計工程師節(jié)省寶貴的電路板空間，并滿足不斷發(fā)展的安全和性能標(biāo)準(zhǔn)。

瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計

　　在澳大利亞等國家中，目前手機的數(shù)量已經(jīng)超過了人口數(shù)量；而在包括美國在內(nèi)的許多國家中，手機數(shù)量已超過有線電話數(shù)量。移動設(shè)備的這種增長不僅增加了用戶出現(xiàn)失誤的可能性，而且各種應(yīng)用對功率更高的要求導(dǎo)致了電源需求的上升，伴隨而來的還有更大的風(fēng)險，這些風(fēng)險來自于感應(yīng)電壓尖峰以及其他連接或熱插拔時的瞬態(tài)電壓。

　　在設(shè)計可能由計算機總線以及汽車電源總線供電的外圍設(shè)備時，瞬態(tài)保護(hù)是非常重要的。在計算機總線上，5V線路上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓尖峰可能超過8V，而12V線路上的則可能超過16V，這可能會損壞無保護(hù)的外圍設(shè)備。隨著低成本第三方交流-USB轉(zhuǎn)換器以及汽車點煙器-USB轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，在計算機總線上瞬態(tài)電壓出現(xiàn)的可能性持續(xù)增加。

　　眾所周知，汽車電源總線上很不干凈。盡管它們的標(biāo)稱電壓是12V，但是在正常工作狀態(tài)下電壓可能為8～16V。此外，電池電流可能超過100A，也可能因為通過一個繼電器或保險絲而瞬間停止，在總線上產(chǎn)生很大的感應(yīng)尖峰，使得電壓增加了5倍甚至更多。隨著車內(nèi)大功率電子設(shè)備的增加，感應(yīng)尖峰出現(xiàn)的可能性也會隨之增加。

　　第三方電源轉(zhuǎn)換器變得越來越普及而且可能會濾除一些瞬態(tài)電壓，但是泰科電子公司的測試顯示，它們的瞬態(tài)抑制性能參差不齊。有時會使用定制的鍵控電源連接器來避免使用標(biāo)稱不正確或設(shè)計不當(dāng)?shù)碾娫?。不過這種解決辦法會產(chǎn)生自加工成本，而且不一定能保證與第三方電源適配器保持絕緣。

　　在另一種保護(hù)方案中，可承受高電壓的硅方案可以用來提供穩(wěn)定電壓輸出以及過壓鎖定功能。集成硅方案的問題在于，它通常需要大量的額外費用。

　　傳統(tǒng)的鉗位二極管是最簡單的保護(hù)方案。但是，為了承受未經(jīng)認(rèn)可的充電器可能的電源輸出并提供可重置的保護(hù)，這種二極管必須能夠消耗掉未經(jīng)許可的充電器所能夠釋放的幾乎全部能量。所以，這樣的保護(hù)方案就需要大的二極管以及較大的散熱結(jié)構(gòu)，所以它是個不現(xiàn)實的選擇。

聚合物增強型齊納二極管

　　另一種可選的方案是聚合物增強型齊納二極管，它為設(shè)計人員提供了傳統(tǒng)鉗位二極管的簡單性，同時避免了使用較大的散熱片。這種器件不僅保護(hù)敏感電子設(shè)備不會因為使用了不合適的供電電源而受到損壞，而且也提供了瞬態(tài)抑制，反偏壓保護(hù)以及過電流保護(hù)，其封裝為小型的單片封裝。

　　如圖2所示，聚合物增強型齊納二極管的微組裝集成了一個穩(wěn)定的齊納二極管用于有效的電壓鉗位，阻值非線性的PPTC（聚合物正溫度系數(shù)）層。PPTC層對二極管加熱或過電流現(xiàn)象的響應(yīng)是從低電阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮钁B(tài)。如果出現(xiàn)持續(xù)的大功率過壓條件，所啟動的PTC元件會限制電流并產(chǎn)生壓降，以保護(hù)齊納二極管以及后續(xù)的電子器件  ——有效地增加了二極管的功率處理能力。

圖2 聚合物增強型齊納二極管器件為便攜式電子設(shè)備提供輸入功率保護(hù)

　　這種器件在鉗位和消除感應(yīng)電壓尖峰方面非常有效。作為對感應(yīng)尖峰的響應(yīng)，齊納二極管元件將電流分流到地，直到電壓降低到正常工作范圍。如果電源電壓不合適，這個器件會將電壓鉗位，將剩余的功率分流到地，最終消除不合適的電壓，如圖3所示。

圖3 聚合物增強型齊納二極管鉗位和消除感應(yīng)電壓尖峰

　　聚合物增強型齊納二極管相對平坦的電壓-電流響應(yīng)幫助對輸出電壓進(jìn)行鉗位，即使在輸入電壓和電源電流變化的時候也是如此。簡單地說，聚合物增強型器件提供了一種能夠像齊納二極管那樣提供保護(hù)的部件，與齊納二極管相比，除了正常PCB印刷線路之外，不需要其他特殊的散熱結(jié)，可以承受非常高的電源故障條件。

PESD器件

　　目前，幾乎每種消費電子設(shè)備中都存在超高速差分接口。從USB 2.0到E-SATA，再到專利HDMI 1.3，差分信號已經(jīng)成為傳輸和接收數(shù)據(jù)的首選方法。這些高速應(yīng)用中的一個主要的設(shè)計難題是確保滿足電子設(shè)備所需要的ESD保護(hù)。

　　在這些應(yīng)用中，傳統(tǒng)保護(hù)器件的寄生阻抗會使信號變形并惡化信號完整性，這使得小電容ESD保護(hù)成為保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的關(guān)鍵。

　　在寬頻率范圍內(nèi)的低插入損耗和穩(wěn)定的電容，也為提供充分保護(hù)、低成本、最小信號衰減的設(shè)計目標(biāo)做出了重要貢獻(xiàn)。插入損耗是信號衰減和頻率關(guān)系的一種重要衡量指標(biāo)。較大的插入損耗會導(dǎo)致器件和系統(tǒng)的帶寬較窄。

　　ESD保護(hù)器件的電容與頻率的關(guān)系特性也會影響高速端口的設(shè)計性能，并會給設(shè)計帶來限制。在高速系統(tǒng)中，設(shè)計用于特定電容值的電路可能會因為所使用ESD保護(hù)技術(shù)的不同而具有不同的性能。

　　圖4顯示了一種使用泰科電子PESD器件的HDMI電路保護(hù)的典型設(shè)計。這種保護(hù)器件幫助將ESD從敏感電路分流，并提供了與傳統(tǒng)MLV（疊層片式壓敏電阻）或TVS（瞬態(tài)電壓抑制）二極管技術(shù)相比特別小的電容。

圖4 帶有PESD器件的典型HDMI電路原理圖

　　在傳輸線脈沖（TLP）測試以及IEC61000-4-2測試中，PESD器件性能要優(yōu)于其他同類器件，特別是在多次電涌之后（多達(dá)1000次）。這種器件的低觸發(fā)電壓和低鉗位電壓也有助于保護(hù)敏感的電子器件。