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下一代产品所需的过流和过压电路保护

C.H. Goh
Littelfuse Far East Pte Ltd


为满足更小、更快且更低廉产品的需要,电路设计人员正采用VLSI??I设计和新的IC技术。不过,采用这些技术不仅将增加电气过载EOS(如ESD、瞬态电气冲击和闪电)的威胁,而且还需要加装电路保护器件。

据估计,约75%的现场设备故障因EOS而引起过电或过压,因此电路设计人员应该注意引发EOS的条件,并提供适当的电路保护以确保设备安全可靠地工作。

电路设计人员应该清楚地理解每一个电压和电流参数、以及特定电路和元器件的限制,他们还应该随时注意众多利用材料和电路技术方面的进步设计出的省空间和低成本的电路保护器件。

过流保护:保险丝

设计人员现在可选择几种技术以提供过流保护,这些技术包括传统的熔丝管(玻璃和陶瓷型)、薄膜保险丝和基于聚合物的正温度系数(PTC)器件。

表面安装型保险丝

薄膜保险丝属于外形小巧类表面安装元件,可为下一代计算机和电信/数据通信产品中的昂贵IC提供过流保护。典型的蜂窝电话一般都有多个为更昂贵的VLSI电路提供过流保护的薄膜保险丝,这些电路可工作于不同的额定电流和额定电压。表面安装型保险丝(SMF)的典型封装尺寸为1206(3.2mm×1.6mm)和0603(1.6mm×0.8mm),这些保险丝最大允许电流为:1206型7安培,0603型5安培。这些芯片保险丝可提供与电池组、蜂窝电话、笔记本、LCD监视器、PDA和调制解调卡匹配良好的紧凑设计。当前用薄膜技术设计出的最小保险丝尺寸为0402,允许的电流范围从250mA到2A。

通用模块型保险丝(UMF)

市场上现有的保险丝均遵循UL248或IEC技术规格,遵循IEC 127标准设计的传统5×20mm熔丝管已得到UL认证,并获得UR(UL认证)证书,因此安装这类保险丝的产品在北美可获得销售许可。不过,尽管IEC 127-4标准概述了通用模块型保险丝(UMF)的技术规格,但目前市场上尚无得到任何IEC代理机构认证的表面安装型保险丝。NANO2通用模块型保险丝据称是第一种满足IEC 127-4规范的产品,其额定电压为125V,额定电流可为500mA、1A和1.6A。

PTC可复位保险丝

PTC可复位保险丝的工作原理是,在过流情况下通过调高自身电阻来保护电路免受损害,一旦电流恢复正常,PTC可复位保险丝能自动恢复到正常低阻值,并允许电流通过。这些特性使得PTC可复位保险丝成为电池供电和数据通信应用的理想选择,因为这些应用在更换电池或热插拔数据连接时可能会出现瞬间电涌。PTC可复位保险丝通常在某些电路中取代传统的玻璃保险丝,并主要用于USB应用。

选择PTC可复位保险丝还是普通保险丝

这两种保险丝都通过感应电路中过电流产生的热量来实现保护功能,普通保险丝通过熔化来中断电流,而PTC则通过将低阻改变为高阻来限制电流。理解这两种类型器件之间的差异将有助于选择最好的电路保护器件。在选择过流保护器件时,通常考虑以下四个因素:

1)可复位性:两者最明显的差异在于PTC是可复位的,通常过流发生后采取的步骤是先断电,然后使器件冷却下来。

2)阻抗:产品技术规格显示,在额定值大致相同的情况下,PTC具有保险丝两倍以上的阻抗。这个特性在设计电池供电设备时尤其突出,高阻抗器件增加的电能消耗不仅会缩短电池的寿命,而且还将导致更频繁的充电操作。

3)时间/电流特性:比较PTC和保险丝的时间/电流曲线图,PTC的响应速度比普通保险丝要慢得多,而这一点对保护电路中异常敏感的部分特别关键。

4)尺寸:普通保险丝的功率密度比PTC大得多,高达5安培的保险丝已可采用0603封装,2安培的则采用0402封装。最佳尺寸的表面安装型PTC的最大额定电流为2.6A,采用1812封装,业界主要制造商正在开发1206封装,并致力于增加电流承载能力。

过压保护

任何电子设备均可能出现瞬态电压,它通常是由电路故障、雷击或ESD而引发的。现在已开发出几种提供过电压电路保护的元器件,包括二极管、MOV、MLV、瞬态电压抑制器和ESD抑制器。

变阻器

 

金属氧化物变阻器(MOV)专为抑制汽车、电信和交流电应用中的过电压而设计。MOV是一种电压钳位元件,其阻抗与电压相关联,如电压超过其阈值则其阻抗将变得非常小。MOV具有高度非线性电压阻抗(V-I)特性,反应速度快,能承受很高峰值电流,待机状态下漏泄电流又较低。

 

MOV的主要应用是保护那些必须满足"瞬态电压浪涌抑制器"UL1449所列要求的产品免受雷电损害。邻近着地雷或高空雷都可能在初级和次级电路中产生电压,而直接雷击能够在交流电源和电话线中产生高压电涌。在敏感电路中安装的MOV器件可以将雷击带来的不利影响最小化。

 

多层变阻器(MLV)较小,是一种适合于保护便携式和计算机设备中低电压电路的表面安装型无引脚芯片变阻器。同MOV一样,在电压超过其阈值时MLV就变得高度导电。MLV可以具有不同的电压和电流额定范围,以满足各种应用要求,容值仅为10pF的新款0402 MLV在蜂窝电话中得到了极好的应用。

 

典型的变阻器主要是为工作于1.8V或更低电压的电路板应用而设计,这些表面安装器件通常应用在移动通信、计算机、医疗和便携式设备中。

 

瞬态电压抑制器

 

瞬态电压抑制器是另一种选择,Surgector就是其中之一,它专为有线通信系统提供二级保护而设计。Surgector采用硅闸流管技术以提供双向钳位保护,该器件可用来吸收电信电路的暂态波形和高峰值浪涌电流。Surgector有双极性、单极性和可编程SCR三种类型,并采用表面安装、DO214AA封装和直插型TO-202封装。

 

ESD抑制器

 

现代电子系统(不论是移动的、机载的,还是陆基的)中的高密度电路,都很容易受到静电或ESD的侵害。一般人体能产生超过15kV的ESD,因此为了有效防止ESD侵害,要求许多新的电子设备必须满足IEC 61000-4-2标准。

 

传统的钳位二极管和多层变阻器(MLV)通常用来保护低速高功耗晶体管电路,不过,随着半导体工艺的进步,市场正向低电压高速集成电路方向发展,这些具有较大寄生电容的器件可能会导致信号传输失真。目前一种从聚合物正温度系数(PTC)技术发展而来的新器件具有处理常出现在IC之间的较大ESD脉冲所需的性能。

 

静电(ESD)抑制器的聚合物结构使得制造商可生产出各种形状因子和配置的ESD抑制器,以满足各种不同应用的需要。该器件具有小于1pF的电容,可提供良好的限制信号降级和衰减的性能,以保证高速数据线(如USB 2.0和下一代电池组电路设计中的数据线)能正常工作。

 

下一代电池组电路保护

 

便携式应用系统的发展使得对电池组和保护电路的需要也不断增加,市场需要更小尺寸、更低成本和更长寿命的电池组,同时用户又不希望牺牲已成为锂离子和锂聚合物电池标准的高级别安全性,电池组设计人员已对这些挑战作出反应,并正致力于研究减少保护电路中元件数目的方法。

 

随着多功能保护IC的出现,电池组设计人员也将研究重点转向采用单个多功能保护器件的安全应用。虽然IC很容易集成多种功能,但它们容易受到ESD和热过载的影响。由于电池组的终端是裸露的,因此ESD对它的影响很大。ESD可导致灾难性损害,它可使电池组失效,或者带来危害更大的潜在故障,因为从表面来看潜在故障并未对保护IC造成任何影响,但实际上在某些条件下它将使得保护IC不能正常工作或进行预期的保护。随着市场越来越依赖保护IC,对电路来说ESD保护也变得非常关键。分立二极管、多层变阻器或基于聚合物的ESD解决方案对保护IC的ESD结构进行了有益补充,提供最高至15kV的ESD保护。

 

除了ESD,保护IC还容易受到长时间过载条件下的热应力影响。由于IC的击穿特性,因此有可能存在一种故障模式,即电路在安全工作限制之外仍能正常工作。随着对多功能保护IC依赖的增强,保险丝保护方案仅用于冗余保护。

 

在降低下一代便携式应用系统成本和尺寸的设计趋势下,设计人员正致力于用多功能保护IC来替代多个分立元件。为继续保持用户期待的高级别安全性,电池组设计人员正在用多功能保护IC实现的简单电路取代功能差不多的ESD和保险丝保护。这可使设计人员在降低整体系统成本的同时,继续保持便携式设备用户期待的安全保护性能。

 

UL 1950第3版技术规格

 

对电路保护需求快速成长的一个应用领域是连接到电话线的设备,随着与因特网连接需求的不断扩大,市场上对调制解调器的需求也急速增加。2000年4月,所有的调制解调器必须达到严格的UL、Bellcore和FCC技术规格,以保护电话网络免受过流的损害,并保护调制解调器或调制解调卡免遭火灾,因为电话线常常与电力线排放在一起。2000年4月,修订版UL技术规格被强制成为所有连接到电话线网络的商业设备的新设计规格。保险丝和Surgectors保护也可满足UL1950第3版/UL1459、FCC 47第68部分和Bellcore GR-1089-CORE规格中许多严格的对卡式调制解调器形状因子的要求。

 

表面安装型电信保险丝的尺寸为10.10mm×3.12mm,额定电流为0.5安培到1.25安培,与被保护电路串联使用；而Surgector采用并联放置,并具有多种击穿电压以适合各种应用。

 

高速IEEE 1394

 

高速IEEE 1394(通常又被称为"Firewire")为多媒体应用提供了巨大的机会。这是从与USB类似的思想发展而来的技术规格,但是应用在带宽更高的外设,如CD驱动器、DVD驱动器和桌面视频应用。其传输速率指标为400Mbps,最终将实现3200 Mbps,Firewire规格要求工作电流为1.5A,背板电压为6-40V。

 

采用1812封装、应用电压高达33V的新款PTC可复位保险丝专为该应用而设计。

 

USB端口保护

 

通用串行总线(USB)是许多多媒体制造商采用的技术规范,它为添加和配置计算机外设提供统一的协议,该总线设计要求统一端口尺寸和匹配连接器。USB采用单主机多集线器概念,为添加和连接不同外设提供了统一而且简单的方法,它允许通过感应USB兼容设备的添加或移除,来进行自动配置。这一主机交换和集线器供电设备可用来说明电路保护的必要性。

 

计算机制造商主要采用PTC可复位保险丝,不仅因为它采用表面封装,而且它的成本比其它USB电源管理解决方案相比也很有竞争力。由于每个USB端口都具有很容易被隔离开来的优异性能,一些设计人员采用低安培数器件对每个USB端口进行保护。不过,寻求更低成本解决方案的制造商会采用一个高安培数器件来保护挂在同一总线上的四个USB端口。采用1812封装的额定电流为2.6A的器件专为此类应用而设计,它也有助于减小低阻抗单端口设计的功耗。

 

在过电压保护应用中,设计人员通常在USB 1.0产品中采用二极管或MLV。随着USB 2.0速度的增加,这些元件的寄生电容变得很关键,新型ESD抑制器的寄生电容必须很小才能满足USB 2.0的要求。

 

未来产品

 

随着电子工业界探索更多增加效率和功能、降低产品成本和制造更紧凑便携式产品的方法,新的设计趋势是在单个封装中集成更多不同类型的元件,以提供一个完整的电路保护解决方案。将过压/过流器件、过温/过压器件和ESD抑制器集成在一起的新产品正在开发之中,它们将形成电路保护技术的又一次革命。