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)品的每次開啟和關(guān)閉都可能會(huì)因?yàn)橛脩羰д`、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(dòng)設(shè)備
這篇文章通過兩個(gè)例子來探究新的電路保護(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)量已超過有線電話數(shù)量。移動(dòng)設(shè)備的這種增長(zhǎng)不僅增加了用戶出現(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，伴隨而來的還有更大的風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)來自于感應(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)總線以及汽車電源總線供電的外圍設(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(huì)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(diǎn)煙器-USB轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)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?yàn)橥ㄟ^一個(gè)繼電器或保險(xiǎn)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(huì)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(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避免使用標(biāo)稱不正確或設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)碾娫础２贿^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(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，阻值非線性的PPTC(聚合物正溫度系數(shù))層。PPTC層對(duì)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(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，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USB 2.0到E-SATA，再到專利HDMI 1.3，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。
