用于移動(dòng)電子設備的電路保護方案

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

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

圖1 新的電路保護方式支持最新的移動(dòng)設備

　　這篇文章通過(guò)兩個(gè)例子來(lái)探究新的電路保護技術(shù)如何幫助設計工程師節省寶貴的電路板空間，并滿(mǎn)足不斷發(fā)展的安全和性能標準。

瞬態(tài)保護設計

　　在澳大利亞等國家中，目前手機的數量已經(jīng)超過(guò)了人口數量；而在包括美國在內的許多國家中，手機數量已超過(guò)有線(xiàn)電話(huà)數量。移動(dòng)設備的這種增長(cháng)不僅增加了用戶(hù)出現失誤的可能性，而且各種應用對功率更高的要求導致了電源需求的上升，伴隨而來(lái)的還有更大的風(fēng)險，這些風(fēng)險來(lái)自于感應電壓尖峰以及其他連接或熱插拔時(shí)的瞬態(tài)電壓。

　　在設計可能由計算機總線(xiàn)以及汽車(chē)電源總線(xiàn)供電的外圍設備時(shí)，瞬態(tài)保護是非常重要的。在計算機總線(xiàn)上，5V線(xiàn)路上感應產(chǎn)生的電壓尖峰可能超過(guò)8V，而12V線(xiàn)路上的則可能超過(guò)16V，這可能會(huì )損壞無(wú)保護的外圍設備。隨著(zhù)低成本第三方交流-USB轉換器以及汽車(chē)點(diǎn)煙器-USB轉換器的出現，在計算機總線(xiàn)上瞬態(tài)電壓出現的可能性持續增加。

　　眾所周知，汽車(chē)電源總線(xiàn)上很不干凈。盡管它們的標稱(chēng)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(guò)100A，也可能因為通過(guò)一個(gè)繼電器或保險絲而瞬間停止，在總線(xiàn)上產(chǎn)生很大的感應尖峰，使得電壓增加了5倍甚至更多。隨著(zhù)車(chē)內大功率電子設備的增加，感應尖峰出現的可能性也會(huì )隨之增加。

　　第三方電源轉換器變得越來(lái)越普及而且可能會(huì )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(shí)會(huì )使用定制的鍵控電源連接器來(lái)避免使用標稱(chēng)不正確或設計不當的電源。不過(guò)這種解決辦法會(huì )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。

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

　　傳統的鉗位二極管是最簡(jiǎn)單的保護方案。但是，為了承受未經(jīng)認可的充電器可能的電源輸出并提供可重置的保護，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，這樣的保護方案就需要大的二極管以及較大的散熱結構，所以它是個(gè)不現實(shí)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，它為設計人員提供了傳統鉗位二極管的簡(jiǎn)單性，同時(shí)避免了使用較大的散熱片。這種器件不僅保護敏感電子設備不會(huì )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，反偏壓保護以及過(guò)電流保護，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(gè)穩定的齊納二極管用于有效的電壓鉗位，阻值非線(xiàn)性的PPTC（聚合物正溫度系數）層。PPTC層對二極管加熱或過(guò)電流現象的響應是從低電阻態(tài)轉變?yōu)楦唠娮钁B(tài)。如果出現持續的大功率過(guò)壓條件，所啟動(dòng)的PTC元件會(huì )限制電流并產(chǎn)生壓降，以保護齊納二極管以及后續的電子器件  ——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備提供輸入功率保護

　　這種器件在鉗位和消除感應電壓尖峰方面非常有效。作為對感應尖峰的響應，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(gè)器件會(huì )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(shí)候也是如此。簡(jiǎn)單地說(shuō)，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的部件，與齊納二極管相比，除了正常PCB印刷線(xiàn)路之外，不需要其他特殊的散熱結，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備中都存在超高速差分接口。從USB 2.0到E-SATA，再到專(zhuān)利HDMI 1.3，差分信號已經(jīng)成為傳輸和接收數據的首選方法。這些高速應用中的一個(gè)主要的設計難題是確保滿(mǎn)足電子設備所需要的ESD保護。

　　在這些應用中，傳統保護器件的寄生阻抗會(huì )使信號變形并惡化信號完整性，這使得小電容ESD保護成為保持數據完整性的關(guān)鍵。

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

　　ESD保護器件的電容與頻率的關(guān)系特性也會(huì )影響高速端口的設計性能，并會(huì )給設計帶來(lái)限制。在高速系統中，設計用于特定電容值的電路可能會(huì )因為所使用ESD保護技術(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電路保護的典型設計。這種保護器件幫助將ESD從敏感電路分流，并提供了與傳統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(xiàn)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(lèi)器件，特別是在多次電涌之后（多達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敏感的電子器件。