電路保護(hù)技術(shù)的未來(lái)
相信很多人都有這樣一個(gè)感覺(jué):現(xiàn)在的U盤(pán)比前幾年的產(chǎn)品要“結(jié)實(shí)”多了,即使頻繁熱插拔也不太容易“燒”壞。這也意味著,我們存儲(chǔ)在U盤(pán)里的“數(shù)據(jù)”比以往更加安全。深究起來(lái),這個(gè)功勞應(yīng)該記在那些隱藏在U盤(pán)里的電路保護(hù)器件上。
為什么這么說(shuō)呢?在現(xiàn)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(wěn)壓器,人體產(chǎn)生的靜電沖擊會(huì)在沒(méi)有任何預(yù)兆的情況下“殺死”電子設(shè)備中的微控制器、存儲(chǔ)器等元件。使用環(huán)境中存在的各種不可預(yù)測(cè)性揭示了一個(gè)道理:電路保護(hù)在需要可靠性的設(shè)計(jì)中是絕對(duì)必要的。這就為電路保護(hù)技術(shù)帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)需求。
根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)Global Information的預(yù)測(cè),2020年全球電路保護(hù)市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)為463億美元,到2027年將達(dá)到641億美元。2020年至2027年期間,全球電路保護(hù)整體市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)約為4.7%。其中,過(guò)流保護(hù)市場(chǎng)將以3.7%的增長(zhǎng)率在2027年達(dá)到269億美元。而中國(guó)的市場(chǎng)發(fā)展更是明顯好于平均值,預(yù)計(jì)CAGR將達(dá)到7.1%,到2027年市場(chǎng)規(guī)模約為129億美元。
典型的電路保護(hù)方法及關(guān)鍵器件
市場(chǎng)上的電路保護(hù)方法很多,根據(jù)電路保護(hù)類型劃分,目前最主要的是過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)這兩種。
過(guò)流保護(hù)器件包括保險(xiǎn)絲(其中包括多個(gè)子集,如自恢復(fù)保險(xiǎn)絲)、PTC熱敏電阻和NTC熱敏電阻。從本質(zhì)上說(shuō),保險(xiǎn)絲只是用于過(guò)電流保護(hù),沒(méi)有其他用途。它有很多子集,其核心技術(shù)理念是:過(guò)電流產(chǎn)生的熱量通過(guò)改變金屬線的分子結(jié)構(gòu),最終將電路與系統(tǒng)分離。PTC熱敏電阻雖然主要用于電路保護(hù),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熱敏電阻的最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(jī)和數(shù)字電子設(shè)備中。
常見(jiàn)的過(guò)壓保護(hù)器件有陶瓷氣體放電管、半導(dǎo)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(hù)也是一種重要的過(guò)壓保護(hù)器件,它主要依靠聚合物ESD抑制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種器件的工作原理是通過(guò)使用摻雜聚合物的復(fù)合材料抑制快速上升的ESD瞬變,且?guī)缀醪辉黾与娐冯娙荨?/p>
接下來(lái),我們?cè)倥e例介紹幾款常用的電路保護(hù)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(dāng)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(dá)到二極管反向擊穿電壓時(shí)導(dǎo)通,并將電壓保持在該值。齊納二極管代表了一個(gè)廣闊的電路保護(hù)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(tǒng)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(wěn)定性。此外,該產(chǎn)品系列還達(dá)到MSL 1級(jí)要求,符合J-STD-020標(biāo)準(zhǔn),LF最大峰值為260°C,并通過(guò)了JESD 201 2類測(cè)試,符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn),非常適合用于汽車應(yīng)用。
圖1:Vishay采用eSMP SMF封裝的BZD27齊納二極管 (圖源:Vishay)
瞬態(tài)電壓抑制器
簡(jiǎn)稱TVS二極管,專門(mén)針對(duì)大電壓波動(dòng),用于保護(hù)單個(gè)電路連接以及用作反電動(dòng)勢(shì)保護(hù)。Diodes Incorporated的SMAJ33A-13-F,最大峰值脈沖耗散功率為400W,能夠傳導(dǎo)高達(dá)40A的峰值電流,并且響應(yīng)迅速。Vishay的5KP100A-E3/54,最大峰值脈沖耗散功率達(dá)到5000W,通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行足夠長(zhǎng)的保護(hù),使主保險(xiǎn)絲/斷路器能夠斷開(kāi)電源,從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
二極管矩陣
單個(gè)二極管固然可以起到電路保護(hù)的作用,但對(duì)尺寸敏感的應(yīng)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(hù)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(hù)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(hù)二極管陣列,其額定ESD沖擊消散值為IEC 61000-4-2(4級(jí))國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最高水平。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(shù)據(jù)IO接口中。
圖2:TI TPD4E001 ESD保護(hù)陣列應(yīng)用原理圖 (圖源:貿(mào)澤電子)
自恢復(fù)保險(xiǎn)絲
普通保險(xiǎn)絲一旦熔斷,就需要更換。與普通保險(xiǎn)絲不同,自恢復(fù)保險(xiǎn)絲通常為PTC型,是一種可自動(dòng)恢復(fù)的過(guò)流電子保護(hù)元件。它采用高分子有機(jī)聚合物,在高壓、高溫、硫化反應(yīng)的條件下,摻加導(dǎo)電粒子材料后,再經(jīng)過(guò)特殊工藝加工而成。當(dāng)線路發(fā)生短路或過(guò)載時(shí),流經(jīng)自恢復(fù)保險(xiǎn)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(zhǎng)并形成高阻狀態(tài),工作電流迅速減小,從而對(duì)電路進(jìn)行限制和保護(hù)。當(dāng)故障排除后,自恢復(fù)保險(xiǎn)絲重新冷卻結(jié)晶,體積收縮,恢復(fù)為低阻狀態(tài)。市場(chǎng)上商用的PTC保險(xiǎn)絲產(chǎn)品很豐富,比如Littelfuse的ASMDC075F就是一種車規(guī)級(jí)的表面貼裝自恢復(fù)保險(xiǎn)絲,具有較寬的電壓和電流額定值。
汽車設(shè)計(jì)中的電路保護(hù)方案
隨著自動(dòng)駕駛汽車、電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的持續(xù)增長(zhǎng),曾經(jīng)以機(jī)械系統(tǒng)為主的汽車現(xiàn)在充滿了電子設(shè)備,汽車電路保護(hù)的需求急劇增加。在汽車電子中,瞬態(tài)浪涌會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、CAN/LAN等通信總線、閥門(mén)、電機(jī)、水解控制器等。因此,汽車設(shè)計(jì)師必須實(shí)施針對(duì)ESD、浪涌、電涌和其他威脅的保護(hù)機(jī)制。
為汽車環(huán)境設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品非常具有挑戰(zhàn)性。
首先:必須預(yù)見(jiàn)到大范圍的溫度波動(dòng)。大多數(shù)應(yīng)用要求工作溫度范圍為-40℃至+85℃。引擎蓋下的應(yīng)用可能更加極端。
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(hù)
汽車的ESD有幾種來(lái)源,比如乘客在車內(nèi)的動(dòng)作可能會(huì)產(chǎn)生電荷,將個(gè)人電子設(shè)備插入到汽車音響系統(tǒng)也可能引來(lái)ESD,汽車天線有時(shí)也會(huì)成為ESD的來(lái)源。尤其是在干燥季節(jié),ESD防不勝防。
多層變阻器(MLV)是典型的ESD保護(hù)器件。以Littelfuse的MLA系列為代表的產(chǎn)品,在汽車中有著廣泛應(yīng)用。MLA系列的電容值為數(shù)百pF,這一點(diǎn)可能不太適合高速數(shù)據(jù)總線。Bourns的CG0402MLU系列最大電容值僅為0.05pF,更符合高速數(shù)據(jù)總線的防護(hù)要求。
2 電涌保護(hù)
負(fù)載突降(load dump)電涌是汽車應(yīng)用中特有的。負(fù)載突降脈沖是汽車12V電源母線上的瞬時(shí)電壓峰值,由交流發(fā)電機(jī)輸出電壓的緩慢調(diào)節(jié)引起。突然卸下電源母線上的大負(fù)載(如蓄電池?cái)嚅_(kāi)、電源保險(xiǎn)絲熔斷等)將導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)輸出突然跳至60V或更高。
電涌保護(hù)器件可防止汽車電線上的多余電壓脈沖損壞較敏感的汽車子系統(tǒng),例如安全系統(tǒng)、控制模塊和車用信息娛樂(lè)系統(tǒng)。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(hù),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Littelfuse的MLA Automotive系列變阻器為例,該變阻器可在廣泛的電壓和溫度范圍內(nèi)抑制瞬態(tài)事件,應(yīng)用范圍包括車輛電源、控制和信號(hào)線。該產(chǎn)品符合IEC 61000-4-2電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn)。
圖3:汽車電涌保護(hù)方案示意圖 (圖源:Littelfuse)
TVS二極管能吸收超過(guò)IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大水平的重復(fù)ESD沖擊,而不會(huì)降低性能。根據(jù)IEC61000-4-5浪涌抗擾度標(biāo)準(zhǔn),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(hù),防止負(fù)載突降和其他瞬態(tài)電壓事件引起的沖擊,從而保護(hù)汽車電子設(shè)備。這使得汽車設(shè)計(jì)師能夠節(jié)省大量的成本,并減少與部件更換相關(guān)的問(wèn)題。Bourns專門(mén)為浪涌和ESD保護(hù)應(yīng)用設(shè)計(jì)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(yīng)時(shí)間小于1ps(從0V到擊穿電壓)。
3 短路和電源故障
工廠安裝的保險(xiǎn)絲和斷路器基本能夠處理汽車配電線路中的短路。但是,控制器及其負(fù)載之間的接線也可能發(fā)生短路和其他故障,比如車窗除霜器、門(mén)鎖、輔助照明、行李艙、音響系統(tǒng)等,因關(guān)鍵接頭處的腐蝕和導(dǎo)線接地不良,都可能會(huì)發(fā)生短路。
一次性保險(xiǎn)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(zāi)。其缺點(diǎn)是,一旦保險(xiǎn)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(fù)保險(xiǎn)絲,正常工作電流下,PTC的電阻值較低。當(dāng)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(dāng)電源或故障被排除,PTC逐漸冷卻并恢復(fù)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(fù)保險(xiǎn)絲的最高工作溫度達(dá)到125℃,遠(yuǎn)高于常規(guī)PTC的最高工作溫度85℃。此外還應(yīng)注意,在非常低的環(huán)境溫度下,PTC可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能跳閘。
圖4:PTC能有效避免因電路短路而損壞其他電子器件 (圖源:Littelfuse)
4 保護(hù)ADAS子系統(tǒng)
圖5展示了ADAS通信和控制子系統(tǒng)的主要功能塊,包括應(yīng)采用的保護(hù)器件。對(duì)于高速差分以太網(wǎng)接口,可采用ESD和瞬態(tài)浪涌保護(hù)方法,包括使用聚合物ESD抑制器,如符合AEC-Q200規(guī)范的Littelfuse AXGD Xtreme Guard系列
圖5:ADAS通信和控制子系統(tǒng)以及對(duì)保護(hù)裝置的需求 (圖源:Littelfuse)
對(duì)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系列也是專門(mén)為浪涌和ESD保護(hù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的TVS二極管,峰值反向電壓范圍從12V到58V。
其中,SMAJ-Q系列的最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(hù)方案
智能門(mén)鎖市場(chǎng)是一個(gè)高增長(zhǎng)市場(chǎng)。根據(jù)Grandview Research的預(yù)測(cè),該市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)預(yù)計(jì)將達(dá)到25%,單位增長(zhǎng)將從2019年的約700萬(wàn)套將擴(kuò)大到2024年的約2300萬(wàn)套。其中,住宅市場(chǎng)將占增長(zhǎng)的大部分,約為70%。
智能鎖包括用于手動(dòng)訪問(wèn)的鍵盤(pán)、用于通過(guò)智能手機(jī)軟件應(yīng)用程序訪問(wèn)的無(wú)線協(xié)議鏈路、用于監(jiān)控門(mén)把手位置的傳感器、用于鎖定或解鎖大門(mén)的執(zhí)行器以及對(duì)非正常開(kāi)鎖行為的檢測(cè)。ESD是智能鎖電子設(shè)備的主要危險(xiǎn)之一,用戶界面和無(wú)線界面都容易受到用戶ESD的影響。
圖6:智能鎖框圖,其中包括建議使用的保護(hù)組件 (圖源:Littelfuse)
對(duì)于ESD保護(hù),設(shè)計(jì)者可以考慮使用TVS二極管或二極管陣列。TVS二極管是采用硅雪崩技術(shù)制造的齊納二極管,可提供至少±15kV ESD電壓的保護(hù)水平。
無(wú)線接口連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線LAN(WiFi網(wǎng)絡(luò)),以便與智能手機(jī)或其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信。由于它常年暴露在外部環(huán)境,無(wú)線接口需要具有ESD保護(hù),這里可以使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器的價(jià)值在于其響應(yīng)和吸收ESD瞬態(tài)的能力,同時(shí)對(duì)無(wú)線接口輸出的特性阻抗的影響可以忽略不計(jì)。
本文小結(jié)
消費(fèi)者對(duì)電子產(chǎn)品質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)不斷提高,同時(shí)全球電子行業(yè)不斷發(fā)展,這些都對(duì)全球電路保護(hù)市場(chǎng)起了推動(dòng)的作用。汽車及消費(fèi)電子行業(yè)的增長(zhǎng)將對(duì)電路保護(hù)市場(chǎng)產(chǎn)生巨大影響。更緊湊的表面貼裝設(shè)計(jì)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(hù)是一個(gè)必不可少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。本文提到的幾種保護(hù)方案和涉及的產(chǎn)品只是電路保護(hù)市場(chǎng)的滄海一粟,供設(shè)計(jì)人員參考。
審核編輯:郭婷
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