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移動(dòng)電子設(shè)備的電路保護(hù)方案

發(fā)布時(shí)間:2010-02-11 來(lái)源:泰科電子公司

中心議題:
  • 瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)
  • 聚合物增強(qiáng)型齊納二極管
  • PESD器件
解決方案:
  • 在寬頻率范圍內(nèi)的低插入損耗和穩(wěn)定的電容
  • 增強(qiáng)型齊納二極管集成了有效的電壓鉗位
便攜式媒體播放器、導(dǎo)航設(shè)備、智能手機(jī)、PlayStation以及其他電池供電的便攜式設(shè)備的移動(dòng)功能,為消費(fèi)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,這種便捷伴隨著一定的風(fēng)險(xiǎn)。這些產(chǎn)品的每次開(kāi)啟和關(guān)閉都可能會(huì)因?yàn)橛脩?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(dǎo)致電路損壞。

移動(dòng)多媒體設(shè)備正在從以音頻為主的設(shè)備向以視頻存儲(chǔ)為主的設(shè)備演變,對(duì)電源、數(shù)據(jù)傳輸速率以及電路設(shè)計(jì)的尺寸都提出了更高的要求。這些越來(lái)越小的移動(dòng)設(shè)計(jì)也提出了更小、更可靠的電路保護(hù)器件的需求。通過(guò)在材料科學(xué)以及更高效設(shè)計(jì)方面的加速研究,電路保護(hù)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(xiàn)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(hù)方式支持最新的移動(dòng)設(shè)備

這篇文章通過(guò)兩個(gè)例子來(lái)探究新的電路保護(hù)技術(shù)如何幫助設(shè)計(jì)工程師節(jié)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(biāo)準(zhǔn)。

瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)

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

在設(shè)計(jì)可能由計(jì)算機(jī)總線(xiàn)以及汽車(chē)電源總線(xiàn)供電的外圍設(shè)備時(shí),瞬態(tài)保護(hù)是非常重要的。在計(jì)算機(jī)總線(xiàn)上,5V線(xiàn)路上感應(yīng)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(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(chē)點(diǎn)煙器-USB轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn),在計(jì)算機(jī)總線(xiàn)上瞬態(tài)電壓出現(xiàn)的可能性持續(xù)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(biāo)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?yàn)橥ㄟ^(guò)一個(gè)繼電器或保險(xiǎn)絲而瞬間停止,在總線(xiàn)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(chē)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(huì)隨之增加。

第三方電源轉(zhuǎn)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(cè)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(biāo)稱(chēng)不正確或設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)碾娫?。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(hù)方案中,可承受高電壓的硅方案可以用來(lái)提供穩(wěn)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(fèi)用。

傳統(tǒng)的鉗位二極管是最簡(jiǎn)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(gè)不現(xiàn)實(shí)的選擇。

聚合物增強(qiáng)型齊納二極管

另一種可選的方案是聚合物增強(qiáng)型齊納二極管,它為設(shè)計(jì)人員提供了傳統(tǒng)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(hù)敏感電子設(shè)備不會(huì)因?yàn)槭褂昧瞬缓线m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(guò)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(qiáng)型齊納二極管的微組裝集成了一個(gè)穩(wěn)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(shù))層。PPTC層對(duì)二極管加熱或過(guò)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(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(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(qiáng)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(duì)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(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(qiáng)型齊納二極管鉗位和消除感應(yīng)電壓尖峰

聚合物增強(qiáng)型齊納二極管相對(duì)平坦的電壓-電流響應(yīng)幫助對(duì)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(qiáng)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(xiàn)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(fèi)電子設(shè)備中都存在超高速差分接口。從USB2.0到E-SATA,再到專(zhuān)利HDMI1.3,差分信號(hào)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(gè)主要的設(shè)計(jì)難題是確保滿(mǎn)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(huì)使信號(hào)變形并惡化信號(hào)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(hào)衰減的設(shè)計(jì)目標(biāo)做出了重要貢獻(xiàn)。插入損耗是信號(hào)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(huì)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(huì)影響高速端口的設(shè)計(jì)性能,并會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)限制。在高速系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)用于特定電容值的電路可能會(huì)因?yàn)樗褂肊SD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(jì)。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(xiàn)脈沖(TLP)測(cè)試以及IEC61000-4-2測(cè)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(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。
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