下一代產(chǎn)品所需的過流和過壓電路保護(hù)

防靜電、防過電流和過電壓沖擊是工程師設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時必須考慮的一個問題。本文集中探討了目前市場上所有的電路保護(hù)技術(shù)，并展望了未來電路保護(hù)器件的發(fā)展方向。

過流保護(hù)：保險絲

設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可選擇幾種技術(shù)以提供過流保護(hù)，這些技術(shù)包括傳統(tǒng)的熔絲管（玻璃和陶瓷型）、薄膜保險絲和基于聚合物的正溫度系數(shù)（PTC）器件。

表面粘著型保險絲

薄膜保險絲屬于外形小巧類表面粘著元件，可為下一代電腦和電信／數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品中的昂貴IC提供過流保護(hù)。表面粘著型保險絲（SMF）的典型封裝尺寸為1206（3.2x1.6mm）和0603（1.6x0.8mm），這些保險絲最大允許電流為：1206型7安培，0603型5安培。這些晶片保險絲可提供與電池組、移動電話、筆記本、LCD監(jiān)視器、PDA和調(diào)制解調(diào)器匹配良好的緊湊設(shè)計(jì)。當(dāng)前，用薄膜技術(shù)設(shè)計(jì)出的最小保險絲尺寸為0402，允許的電流范圍從250mA到2A。

通用模組型保險絲（UMF）

市場上現(xiàn)有的保險絲均遵循UL248或IEC技術(shù)規(guī)格。因此粘著這類保險絲的產(chǎn)品在北美可獲得銷售許可。不過，盡管IEC 127-4標(biāo)準(zhǔn)概述了通用模組型保險絲（UMF）的技術(shù)規(guī)格，但目前市場上尚無得到任何IEC代理機(jī)構(gòu)認(rèn)證的表面粘著型保險絲。NANO2通用模型保險絲據(jù)稱是第一種滿足IEC 127-4規(guī)范的產(chǎn)品，其額定電壓為125V，額定電流可為500mA、1A和1.6A。

PTC可復(fù)位保險絲

PTC可復(fù)位的工作原理是：在過流情況下由自身電阻來保護(hù)電路免受損害，一旦電流恢復(fù)正常，PTC可復(fù)位保險絲能自動恢復(fù)到正常低阻值。這些特性使得PTC可復(fù)位保險絲成為電池供電和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)檫@些應(yīng)用在更換電池或熱插拔數(shù)據(jù)連接時可能會出現(xiàn)瞬間電涌。PTC可復(fù)位保險絲通常在某些電路中取代傳統(tǒng)的玻璃保險絲，并主要用于USB應(yīng)用。

選擇PTC可復(fù)位保險絲還是普通保險絲

這兩種保險絲都由感應(yīng)電路中過電流產(chǎn)生的熱量來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，普通保險絲由熔化來中斷電流，而PTC則通過將低阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦鑱硐拗齐娏鳌Ｔ谶x擇過流保護(hù)器件時，通?？紤]以下4個因素：

1)可復(fù)位性：兩者最明顯的差異在于PTC是可復(fù)位的，通常過流發(fā)生后采取的步驟是先斷電，然后使器件冷卻下來。

2)阻抗：產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格顯示，在額定值大致相同的情況下，PTC具有保險絲兩倍以上的阻抗。這個特性在設(shè)計(jì)電池供電設(shè)備時尤其突出，高阻抗器件增加的電能消耗不僅會縮短電池的壽命，而且還將導(dǎo)致更頻繁的充電作業(yè)。

3)時間／電流特性：比較PTC和保險絲的時間／電流曲線圖，PTC的感應(yīng)速度比普通保險絲要慢得多，而這一點(diǎn)對保護(hù)電路中異常敏感的部份特別關(guān)鍵。

4)尺寸：普通保險絲的功率密度比PTC大得多，高達(dá)5安培的保險絲已可采用0603封裝，2安培的則采用0402封裝，目前正在開發(fā)1206封裝，并致力于增加電流承載能力。

過壓保護(hù)

任何電子設(shè)備均可能出現(xiàn)瞬態(tài)電壓?，F(xiàn)在已開發(fā)出幾種提供過電壓電路保護(hù)的零配件。

變阻器

金屬氧化物變阻器（MOV）專為抑制汽車、電信和交流應(yīng)用中的過電壓而設(shè)計(jì)。MOV是一種電壓鉗位元件，如電壓超過閥值則其阻抗將變得非常小。MOV具有高度非線性電壓阻抗（V-I）特性，反應(yīng)速度快，能承受很高峰值電流，待機(jī)狀態(tài)下漏泄電流又較低。其主要應(yīng)用是保護(hù)那些必須滿足“瞬態(tài)電壓浪涌抑制器”UL1449所列要求的產(chǎn)品免受雷電損害。鄰近著地雷或高空雷都可能在初級和次級電路中產(chǎn)生電壓，而直接雷擊能夠在交流電源和電話線中產(chǎn)生高壓電涌。在敏感電路中粘著的MOV器件可以將雷擊帶來的不利影響最小化。

多層變阻器（MLV）較小，是一種適合保護(hù)便攜式和電腦設(shè)備中低電壓電路的表面粘著器件，通常應(yīng)用在移動通信、電腦、醫(yī)療和便攜式設(shè)備中。

瞬態(tài)電壓抑制器

瞬態(tài)電壓抑制器是另一種選擇，Surgector就是其中之一，它專為有線通信系統(tǒng)提供二級保護(hù)而設(shè)計(jì)，采用硅閘流管技術(shù)以提供變向鉗位保護(hù)。該器件可用來吸收電信電路的暫態(tài)波形和高峰值浪涌電流。

ESD抑制器

現(xiàn)代電子系統(tǒng)（不論是移動的、機(jī)載的，還是陸基的）中的高密度電路，都很容易受到靜電或ESD的侵害。因此要求許多新的電子設(shè)備必須滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的鉗位二極管和多層變阻器（MLV）通常用來保護(hù)低速高功耗半導(dǎo)體電路。不過，隨著半導(dǎo)體制程的進(jìn)步，市場正向低電壓高速IC方向發(fā)展，這些具有較大寄生電容的器件可能會導(dǎo)致信號傳輸失真。目前一種從聚合物正溫度系數(shù)（PTC）技術(shù)發(fā)展而來的新器件具有處理常出現(xiàn)在IC之間的較大ESD脈沖所需的性能。

靜電（ESD）抑制器的聚合物結(jié)構(gòu)使得制造商可生產(chǎn)出各種形狀因子和配置的ESD抑制器，以滿足各種不同應(yīng)用的需要。該器件具有小于IPF的電容，可提供良好的限制信號降級和衰減的性能，以保證高速數(shù)據(jù)（如USB 2.0和下一代電池組線路設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)線）能正常工作。

下一代電池組電路保護(hù)

可控式應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展使得對電池組和保證電路的需要也不斷增加。隨著多功能保護(hù)IC的出現(xiàn)，電池組設(shè)計(jì)人員也將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向采用單個多功能保護(hù)器件的安全應(yīng)用。雖然IC很容易整合多種功能，但它們?nèi)菀资艿紼SD和熱過載的影響。由于電池組的終端是裸露的，因此ESD對它的影響很大。ESD可導(dǎo)致災(zāi)難性損害，它可使電池組失效，或者帶來危害更大的潛在故障。從表面來看，潛在故障并未對保護(hù)IC造成任何影響，但實(shí)際上在某些條件下它將使得保護(hù)IC不能正常工作或進(jìn)行預(yù)期的保證。隨著市場越來越多地依賴保護(hù)IC，對電路來說ESD保護(hù)也變得非常關(guān)鍵。分立二極管、多層變阻器或基于聚合物的ESD解決方案對保護(hù)IC的ESD結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有效補(bǔ)充，提供最高至15kv的ESD保護(hù)。

除了ESD，保護(hù)IC還容易受到長時間過載條件下的熱應(yīng)力影響。由于IC的擊穿特性，因此有可能存在一種故障模式，即電路在安全工作限制之外仍能正常工作。隨著對多功能保護(hù)IC依賴的增強(qiáng)，保險絲保護(hù)方案僅用于冗余保護(hù)。

在降低下一代便攜式應(yīng)用系統(tǒng)成本和尺寸的設(shè)計(jì)趨勢下，設(shè)計(jì)人員正致力于用多功能保護(hù)IC來替代多個分立元件。為繼續(xù)保持用戶期待的高級別安全性，電池組設(shè)計(jì)人員正在用多功能保護(hù)IC實(shí)現(xiàn)的簡單電路取代功能差不多的ESD和保險絲保護(hù)。這可使設(shè)計(jì)人員在降低整體系統(tǒng)成本的同時，繼續(xù)保持便攜式設(shè)備用戶期待的安全保護(hù)性能。

未來產(chǎn)品

隨著電子工業(yè)界探索更多增加效率和功能、降低產(chǎn)品成本和制造更緊湊便攜式產(chǎn)品的方法，新的設(shè)計(jì)趨勢是在單個封裝中集成更多不同類型的元件，以提供一個完整的電路保護(hù)解決方案。將過壓/過流器件、過溫/過壓器件和ESD抑制器集成在一起的新產(chǎn)品正在開發(fā)之中，它們將形成電路保護(hù)技術(shù)的又一次革命。