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電子產(chǎn)品竟越來(lái)越“皮實(shí)”?這些電路保護戰線(xiàn)的“安全衛士”,來(lái)認識一下~

發(fā)布時(shí)間: 2024-03-22  點(diǎn)擊次數: 255次

電路保護技術(shù)的未來(lái)

相信很多人都有這樣一個(gè)感覺(jué):現在的U盤(pán)比前幾年的產(chǎn)品要“結實(shí)"多了,即使頻繁熱插拔也不太容易“燒"壞。這也意味著(zhù),我們存儲在U盤(pán)里的“數據"比以往更加安全。深究起來(lái),這個(gè)功勞應該記在那些隱藏在U盤(pán)里的電路保護器件上。


為什么這么說(shuō)呢?在現實(shí)世界中,任何接觸過(guò)靜電敏感元件的人都知道,浪涌產(chǎn)生的電壓尖峰會(huì )損壞穩壓器,人體產(chǎn)生的靜電沖擊會(huì )在沒(méi)有任何預兆的情況下“殺死"電子設備中的微控制器、存儲器等元件。使用環(huán)境中存在的各種不可預測性揭示了一個(gè)道理:電路保護在需要可靠性的設計中是**必要的。這就為電路保護技術(shù)帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)需求。


根據咨詢(xún)機構Global Information的預測,2020年全球電路保護市場(chǎng)規模估計為463億美元,到2027年將達到641億美元。2020年至2027年期間,全球電路保護整體市場(chǎng)的年復合增長(cháng)率(CAGR)約為4.7%。其中,過(guò)流保護市場(chǎng)將以3.7%的增長(cháng)率在2027年達到269億美元。而中國的市場(chǎng)發(fā)展更是明顯好于平均值,預計CAGR將達到7.1%,到2027年市場(chǎng)規模約為129億美元。


典型的電路保護方法及關(guān)鍵器件

市場(chǎng)上的電路保護方法很多,根據電路保護類(lèi)型劃分,目前*主要的是過(guò)流、過(guò)壓保護這兩種。


過(guò)流保護器件包括保險絲(其中包括多個(gè)子集,如自恢復保險絲)、PTC熱敏電阻和NTC熱敏電阻。從本質(zhì)上說(shuō),保險絲只是用于過(guò)電流保護,沒(méi)有其他用途。它有很多子集,其中心技術(shù)理念是:過(guò)電流產(chǎn)生的熱量通過(guò)改變金屬線(xiàn)的分子結構,*終將電路與系統分離。PTC熱敏電阻雖然主要用于電路保護,然而有時(shí)也會(huì )用作其他用途,比如作為加熱器元件使用。NTC熱敏電阻的*主要用途是溫度傳感器,另有一部分需求是用于浪涌電流限制,主要用在電機和數字電子設備中。


常見(jiàn)的過(guò)壓保護器件有陶瓷氣體放電管、半導體放電管、金屬氧化物變阻器、壓敏電阻、齊納二極管、瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管、晶閘管等。


聚合物ESD保護也是一種重要的過(guò)壓保護器件,它主要依靠聚合物ESD抑制器來(lái)實(shí)現。這種器件的工作原理是通過(guò)使用摻雜聚合物的復合材料抑制快速上升的ESD瞬變,且幾乎不增加電路電容。


接下來(lái),我們再舉例介紹幾款常用的電路保護器件。


齊納二極管

工作原理與普通二極管基本一致。不同之處在于,當與可變電壓源并聯(lián)以使其反向偏置時(shí),齊納二極管在電壓達到二極管反向擊穿電壓時(shí)導通,并將電壓保持在該值。齊納二極管**了一個(gè)廣闊的電路保護元件單位市場(chǎng),因其平均單件單價(jià)較低,順利地PK掉了片式壓敏電阻器,成為防止電子系統中靜電放電影響的低成本解決方案。VishayeSMP SMF BZD27齊納二極管采用薄型、表面貼裝封裝,可吸收浪涌電流。它的漏電流很低,具有出色的穩定性。此外,該產(chǎn)品系列還達到MSL 1級要求,符合J-STD-020標準,LF大峰值為260°C,并通過(guò)了JESD 201 2類(lèi)測試,符合AEC-Q101標準,非常適合用于汽車(chē)應用。

瞬態(tài)電壓抑制器

簡(jiǎn)稱(chēng)TVS二極管,專(zhuān)門(mén)針對大電壓波動(dòng),用于保護單個(gè)電路連接以及用作反電動(dòng)勢保護。Diodes Incorporated的SMAJ33A-13-F,大峰值脈沖耗散功率為400W,能夠傳導高達40A的峰值電流,并且響應迅速。Vishay的5KP100A-E3/54,大峰值脈沖耗散功率達到5000W,通過(guò)對電路進(jìn)行足夠長(cháng)的保護,使主保險絲/斷路器能夠斷開(kāi)電源,從而實(shí)現保護。


二極管矩陣

單個(gè)二極管固然可以起到電路保護的作用,但對尺寸敏感的應用而言,二極管矩陣是更好的選擇。二極管矩陣將多個(gè)二極管合并到一個(gè)封裝中,可用于多種用途,比如用于保護USB連接器的引腳(D+和D-)免受外部ESD的破壞。Texas Instruments(TI)的TPD4E001ESD保護陣列是一款基于四通道瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)的靜電放電(ESD)保護二極管陣列,其額定ESD沖擊消散值為IEC 61000-4-2(4級)國際標準中規定的高水平。TPD4E001陣列的每通道具有1.5pF IO電容,因此非常適合用于高速數據IO接口中。

自恢復保險絲

普通保險絲一旦熔斷,就需要更換。與普通保險絲不同,自恢復保險絲通常為PTC型,是一種可自動(dòng)恢復的過(guò)流電子保護元件。它采用高分子有機聚合物,在高壓、高溫、硫化反應的條件下,摻加導電粒子材料后,再經(jīng)過(guò)特殊工藝加工而成。當線(xiàn)路發(fā)生短路或過(guò)載時(shí),流經(jīng)自恢復保險絲的大電流產(chǎn)生的熱量會(huì )使聚合樹(shù)脂融化,體積迅速增長(cháng)并形成高阻狀態(tài),工作電流迅速減小,從而對電路進(jìn)行限制和保護。當故障排除后,自恢復保險絲重新冷卻結晶,體積收縮,恢復為低阻狀態(tài)。市場(chǎng)上商用的PTC保險絲產(chǎn)品很豐富,比如Littelfuse的ASMDC075F就是一種車(chē)規級的表面貼裝自恢復保險絲,具有較寬的電壓和電流額定值。


汽車(chē)設計中的電路保護方案

隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的持續增長(cháng),曾經(jīng)以機械系統為主的汽車(chē)現在充滿(mǎn)了電子設備,汽車(chē)電路保護的需求急劇增加。在汽車(chē)電子中,瞬態(tài)浪涌會(huì )損壞發(fā)動(dòng)機冷卻系統、CAN/LAN等通信總線(xiàn)、閥門(mén)、電機、水解控制器等。因此,汽車(chē)設計師必須實(shí)施針對ESD、浪涌、電涌和其他威脅的保護機制。


為汽車(chē)環(huán)境設計電子產(chǎn)品非常具有挑戰性。


首先:必須預見(jiàn)到大范圍的溫度波動(dòng)。大多數應用要求工作溫度范圍為-40℃至+85℃。


其次:濕度范圍大。從沙漠到沼澤,還有海邊的鹽霧,這些因素都必須予以充分考慮。


第三:沖擊和振動(dòng)的影響。


1 ESD防護

汽車(chē)的ESD有幾種來(lái)源,比如乘客在車(chē)內的動(dòng)作可能會(huì )產(chǎn)生電荷,將個(gè)人電子設備插入到汽車(chē)音響系統也可能引來(lái)ESD,汽車(chē)天線(xiàn)有時(shí)也會(huì )成為ESD的來(lái)源。尤其是在干燥季節,ESD防不勝防。


多層變阻器(MLV)是典型的ESD保護器件。以L(fǎng)ittelfuse的MLA系列為**的產(chǎn)品,在汽車(chē)中有著(zhù)廣應用。MLA系列的電容值為數百pF,這一點(diǎn)可能不太適合高速數據總線(xiàn)。Bourns的CG0402MLU系列大電容值*為0.05pF,更符合高速數據總線(xiàn)的防護要求。


2 電涌保護

負載突降(load dump)電涌是汽車(chē)應用中有的。負載突降脈沖是汽車(chē)12V電源母線(xiàn)上的瞬時(shí)電壓峰值,由交流發(fā)電機輸出電壓的緩慢調節引起。突然卸下電源母線(xiàn)上的大負載(如蓄電池斷開(kāi)、電源保險絲熔斷等)將導致交流發(fā)電機輸出突然跳至60V或更高。


電涌保護器件可防止汽車(chē)電線(xiàn)上的多余電壓脈沖損壞較敏感的汽車(chē)子系統,例如安全系統、控制模塊和車(chē)用信息娛樂(lè )系統。解決方案包括金屬氧化物變阻器(MOV)或TVS二極管;作為過(guò)壓保護,還包括用于限制浪涌電流的固定電阻器或PTC電阻器等(見(jiàn)圖3)。


以L(fǎng)ittelfuse的MLA Automotive系列變阻器為例,該變阻器可在廣的電壓和溫度范圍內抑制瞬態(tài)事件,應用范圍包括車(chē)輛電源、控制和信號線(xiàn)。該產(chǎn)品符合IEC 61000-4-2電磁兼容性(EMC)標準。

TVS二極管能吸收超過(guò)IEC61000-4-2標準規定的大水平的重復ESD沖擊,而不會(huì )降低性能。根據IEC61000-4-5浪涌抗擾度標準,它們可以在極低的箝位電壓下安全地耗散浪涌電流。


TVS二極管通過(guò)提供二次保護,防止負載突降和其他瞬態(tài)電壓事件引起的沖擊,從而保護汽車(chē)電子設備。這使得汽車(chē)設計師能夠節省大量的成本,并減少與部件更換相關(guān)的問(wèn)題。Bourns專(zhuān)門(mén)為浪涌和ESD保護應用設計的TVS二極管SMxJ-Q系列,峰值反向電壓范圍從12V到58V,快速響應時(shí)間小于1ps(從0V到擊穿電壓)。


3 短路和電源故障

工廠(chǎng)安裝的保險絲和斷路器基本能夠處理汽車(chē)配電線(xiàn)路中的短路。但是,控制器及其負載之間的接線(xiàn)也可能發(fā)生短路和其他故障,比如車(chē)窗除霜器、門(mén)鎖、輔助照明、行李艙、音響系統等,因關(guān)鍵接頭處的腐蝕和導線(xiàn)接地不良,都可能會(huì )發(fā)生短路。


一次性保險絲可用于在故障條件下將電路斷開(kāi),防止進(jìn)一步損壞周邊電子器件或發(fā)生火災。其缺點(diǎn)是,一旦保險絲工作,電路將無(wú)法再工作,必須修理或更換。PTC器件屬于自恢復保險絲,正常工作電流下,PTC的電阻值較低。當存在故障電流時(shí),PTC裝置會(huì )升溫,增加其電阻并抑制故障電流。當電源或故障被排除,PTC逐漸冷卻并恢復到低阻狀態(tài)。


需要注意的是,為避免干擾引起的誤操作,PTC的溫度范圍要選好。BournsMF-RHT系列PTC自恢復保險絲的高工作溫度達到125℃,遠高于常規PTC的高工作溫度85℃。此外還應注意,在非常低的環(huán)境溫度下,PTC可能需要很長(cháng)時(shí)間才能跳閘。

4 保護ADAS子系統

圖5展示了ADAS通信和控制子系統的主要功能塊,包括應采用的保護器件。對于高速差分以太網(wǎng)接口,可采用ESD和瞬態(tài)浪涌保護方法,包括使用聚合物ESD抑制器,如符合AEC-Q200規范的Littelfuse AXGD Xtreme Guard系列


對于CAN收發(fā)器接口,可參考使用二極管陣列來(lái)防止快速瞬變和ESD,比如Littelfuse AQ24CANA系列。Bourns的SMxJ-Q系列也是專(zhuān)門(mén)為浪涌和ESD保護應用設計的TVS二極管,峰值反向電壓范圍從12V到58V。


其中,SMAJ-Q系列的大峰值脈沖耗散功率為400W,可承受40A的峰值正向浪涌電流,而SMBJ-Q二極管的峰值耗散功率為600W,可承受100A的峰值正向浪涌電流。SMLJ-Q系列提供3000W的峰值脈沖耗散功率,可承受300A的峰值正向浪涌電流。


智能門(mén)鎖的電路保護方案

智能門(mén)鎖市場(chǎng)是一個(gè)高增長(cháng)市場(chǎng)。根據Grandview Research的預測,該市場(chǎng)的復合年增長(cháng)率(CAGR)預計將達到25%,單位增長(cháng)將從2019年的約700萬(wàn)套將擴大到2024年的約2300萬(wàn)套。其中,住宅市場(chǎng)將占增長(cháng)的大部分,約為70%。


智能鎖包括用于手動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)的鍵盤(pán)、用于通過(guò)智能手機軟件應用程序訪(fǎng)問(wèn)的無(wú)線(xiàn)協(xié)議鏈路、用于監控門(mén)把手位置的傳感器、用于鎖定或解鎖大門(mén)的執行器以及對非正常開(kāi)鎖行為的檢測。ESD是智能鎖電子設備的主要危險之一,用戶(hù)界面和無(wú)線(xiàn)界面都容易受到用戶(hù)ESD的影響。


本文小結

消費者對電子產(chǎn)品質(zhì)量和標準的認識不斷提高,同時(shí)全球電子行業(yè)不斷發(fā)展,這些都對全球電路保護市場(chǎng)起了推動(dòng)的作用。汽車(chē)及消費電子行業(yè)的增長(cháng)將對電路保護市場(chǎng)產(chǎn)生巨大影響。更緊湊的表面貼裝設計使得集成電路(IC)更容易受到電路中電涌的影響,因而電路保護是一個(gè)不可少的設計環(huán)節。本文提到的幾種保護方案和涉及的產(chǎn)品只是電路保護市場(chǎng)的滄海一粟,供設計人員參考。


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