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計電子產品時必須考慮的一個問題,否則這些產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技術,并展望了未來電路保護器件的發(fā)展方向。
C.H. Goh
技術經理
Littelfuse Far East Pte Ltd
為滿足更小、更快且更低廉產品的需要,電路設計人員正采用VLSI??I設計和新的IC技術。不過,采用這些技術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器件。
據估計,約75%的現場設備故障因EOS而引起過電或過壓,因此電路設計人員應該注意引發(fā)EOS的條件,并提供適當的電路保護以確保設備安全可靠地工作。
電路設計人員應該清楚地理解每一個電壓和電流參數、以及特定電路和元器件的限制,他們還應該隨時注意眾多利用材料和電路技術方面的進步設計出的省空間和低成本的電路保護器件。
過流保護:保險絲
設計人員現在可選擇幾種技術以提供過流保護,這些技術包括傳統(tǒng)的熔絲管(玻璃和陶瓷型)、薄膜保險絲和基于聚合物的正溫度系數(PTC)器件。
表面安裝型保險絲
薄膜保險絲屬于外形小巧類表面安裝元件,可為下一代計算機和電信/數據通信產品中的昂貴IC提供過流保護。典型的蜂窩電話一般都有多個為更昂貴的VLSI電路提供過流保護的薄膜保險絲,這些電路可工作于不同的額定電流和額定電壓。表面安裝型保險絲(SMF)的典型封裝尺寸為1206(×)和0603(×),這些保險絲最大允許電流為:1206型7安培,0603型5安培。這些芯片保險絲可提供與電池組、蜂窩電話、筆記本、LCD監(jiān)視器、PDA和調制解調卡匹配良好的緊湊設計。當前用薄膜技術設計出的最小保險絲尺寸為0402,允許的電流范圍從250mA到2A。
通用模塊型保險絲(UMF)
市場上現有的保險絲均遵循UL248或IEC技術規(guī)格,遵循IEC 127標準設計的傳統(tǒng)5×20mm熔絲管已得到UL認證,并獲得UR(UL認證)證書,因此安裝這類保險絲的產品在北美可獲得銷售許可。不過,盡管IEC 127-4標準概述了通用模塊型保險絲(UMF)的技術規(guī)格,但目前市場上尚無得到任何IEC代理機構認證的表面安裝型保險絲。NANO2通用模塊型保險絲據稱是第一種滿足IEC 127-4規(guī)范的產品,其額定電壓為125V,額定電流可為500mA、1A和。
PTC可復位保險絲
PTC可復位保險絲的工作原理是,在過流情況下通過調高自身電阻來保護電路免受損害,一旦電流恢復正常,PTC可復位保險絲能自動恢復到正常低阻值,并允許電流通過。這些特性使得PTC可復位保險絲成為電池供電和數據通信應用的理想選擇,因為這些應用在更換電池或熱插拔數據連接時可能會出現瞬間電涌。PTC可復位保險絲通常在某些電路中取代傳統(tǒng)的玻璃保險絲,并主要用于USB應用。
選擇PTC可復位保險絲還是普通保險絲
這兩種保險絲都通過感應電路中過電流產生的熱量來實現保護功能,普通保險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器件。在選擇過流保護器件時,通常考慮以下四個因素:
1)可復位性:兩者最明顯的差異在于PTC是可復位的,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:產品技術規(guī)格顯示,在額定值大致相同的情況下,PTC具有保險絲兩倍以上的阻抗。這個特性在設計電池供電設備時尤其突出,高阻抗器件增加的電能消耗不僅會縮短電池的壽命,而且還將導致更頻繁的充電操作。
3)時間/電流特性:比較PTC和保險絲的時間/電流曲線圖,PTC的響應速度比普通保險絲要慢得多,而這一點對保護電路中異常敏感的部分特別關鍵。
4)尺寸:普通保險絲的功率密度比PTC大得多,高達5安培的保險絲已可采用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
任何電子設備均可能出現瞬態(tài)電壓,它通常是由電路故障、雷擊或ESD而引發(fā)的。現在已開發(fā)出幾種提供過電壓電路保護的元器件,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、電信和交流電應用中的過電壓而設計。MOV是一種電壓鉗位元件,其阻抗與電壓相關聯(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,反應速度快,能承受很高峰值電流,待機狀態(tài)下漏泄電流又較低。
MOV的主要應用是保護那些必須滿足“瞬態(tài)電壓浪涌抑制器”UL1449所列要求的產品免受雷電損害。鄰近著地雷或高空雷都可能在初級和次級電路中產生電壓,而直接雷擊能夠在交流電源和電話線中產生高壓電涌。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,是一種適合于保護便攜式和計算機設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MLV就變得高度導電。MLV可以具有不同的電壓和電流額定范圍,以滿足各種應用要求,容值僅為10pF的新款0402 MLV在蜂窩電話中得到了極好的應用。
典型的變阻器主要是為工作于或更低電壓的電路板應用而設計,這些表面安裝器件通常應用在移動通信、計算機、醫(yī)療和便攜式設備中。
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)提供二級保護而設計。Surgector采用硅閘流管技術以提供雙向鉗位保護,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
現代電子系統(tǒng)(不論是移動的、機載的,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備必須滿足IEC 61000-4-2標準。
傳統(tǒng)的鉗位二極管和多層變阻器(MLV)通常用來保護低速高功耗晶體管電路,不過,隨著半導體工藝的進步,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致信號傳輸失真。目前一種從聚合物正溫度系數(PTC)技術發(fā)展而來的新器件具有處理常出現在IC之間的較大ESD脈沖所需的性能。
靜電(ESD)抑制器的聚合物結構使得制造商可生產出各種形狀因子和配置的ESD抑制器,以滿足各種不同應用的需要。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,以保證高速數據線(如USB 2.0和下一代電池組電路設計中的數據線)能正常工作。
下一代電池組電路保護
便攜式應用系統(tǒng)的發(fā)展使得對電池組和保護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,同時用戶又不希望犧牲已成為鋰離子和鋰聚合物電池標準的高級別安全性,電池組設計人員已對這些挑戰(zhàn)作出反應,并正致力于研究減少保護電路中元件數目的方法。
隨著多功能保護IC的出現,電池組設計人員也將研究重點轉向采用單個多功能保護器件的安全應用。雖然IC很容易集成多種功能,但它們容易受到ESD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可導致災難性損害,它可使電池組失效,或者帶來危害更大的潛在故障,因為從表面來看潛在故障并未對保護IC造成任何影響,但實際上在某些條件下它將使得保護IC不能正常工作或進行預期的保護。隨著市場越來越依賴保護IC,對電路來說ESD保護也變得非常關鍵。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IC的ESD結構進行了有益補充,提供最高至15kV的ESD保護。
除了ESD,保護IC還容易受到長時間過載條件下的熱應力影響。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IC依賴的增強,保險絲保護方案僅用于冗余保護。
在降低下一代便攜式應用系統(tǒng)成本和尺寸的設計趨勢下,設計人員正致力于用多功能保護IC來替代多個分立元件。為繼續(xù)保持用戶期待的高級別安全性,電池組設計人員正在用多功能保護IC實現的簡單電路取代功能差不多的ESD和保險絲保護。這可使設計人員在降低整體系統(tǒng)成本的同時,繼續(xù)保持便攜式設備用戶期待的安全保護性能。
UL 1950第3版技術規(guī)格
對電路保護需求快速成長的一個應用領域是連接到電話線的設備,隨著與因特網連接需求的不斷擴大,市場上對調制解調器的需求也急速增加。2000年4月,所有的調制解調器必須達到嚴格的UL、Bellcore和FCC技術規(guī)格,以保護電話網絡免受過流的損害,并保護調制解調器或調制解調卡免遭火災,因為電話線常常與電力線排放在一起。2000年4月,修訂版UL技術規(guī)格被強制成為所有連接到電話線網絡的商業(yè)設備的新設計規(guī)格。保險絲和Surgectors保護也可滿足UL1950第3版/UL1459、FCC 47第68部分和Bellcore GR-1089-CORE規(guī)格中許多嚴格的對卡式調制解調器形狀因子的要求。
表面安裝型電信保險絲的尺寸為×,額定電流為0.5安培到安培,與被保護電路串聯(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用。
高速IEEE 1394
高速IEEE 1394(通常又被稱為“Firewire”)為多媒體應用提供了巨大的機會。這是從與USB類似的思想發(fā)展而來的技術規(guī)格,但是應用在帶寬更高的外設,如CD驅動器、DVD驅動器和桌面視頻應用。其傳輸速率指標為400Mbps,最終將實現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、應用電壓高達33V的新款PTC可復位保險絲專為該應用而設計。
USB端口保護
通用串行總線(USB)是許多多媒體制造商采用的技術規(guī)范,它為添加和配置計算機外設提供統(tǒng)一的協(xié)議,該總線設計要求統(tǒng)一端口尺寸和匹配連接器。USB采用單主機多集線器概念,為添加和連接不同外設提供了統(tǒng)一而且簡單的方法,它允許通過感應USB兼容設備的添加或移除,來進行自動配置。這一主機交換和集線器供電設備可用來說明電路保護的必要性。
計算機制造商主要采用PTC可復位保險絲,不僅因為它采用表面封裝,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USB端口都具有很容易被隔離開來的優(yōu)異性能,一些設計人員采用低安培數器件對每個USB端口進行保護。不過,尋求更低成本解決方案的制造商會采用一個高安培數器件來保護掛在同一總線上的四個USB端口。采用1812封裝的額定電流為的器件專為此類應用而設計,它也有助于減小低阻抗單端口設計的功耗。
在過電壓保護應用中,設計人員通常在USB 1.0產品中采用二極管或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。
未來產品
隨著電子工業(yè)界探索更多增加效率和功能、降低產品成本和制造更緊湊便攜式產品的方法,新的設計趨勢是在單個封裝中集成更多不同類型的元件,以提供一個完整的電路保護解決方案。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品正在開發(fā)之中,它們將形成電路保護技術的又一次革命。
