便攜式電子產(chǎn)品的電路保護

電路保護是設(shè)計的重要工作

　　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?。ㄕ糚CB面積?。┘捌拭娓叨刃?。

　　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?。ú煌念~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?。浑娏鳛?.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。

　　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。