下一代产品所需的过流和过压电路保护(文摘)

pwm

  Overcurrent and Overvoltage Protecting for New Generation Products
■Littelfuse公司　C．H．Goh
《世界电子元器件》11月号


防静电、防过电流和过电压冲击是工程师设计电子产品时必须考虑的一个问题。本文集中探讨了目前市场上所有的电路保护技术，并展望了未来电路保护器件的发展方向。


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。


表面粘着型保险丝
薄膜保险丝属于外形小巧类表面粘着元件，可为下一代电脑和电信／数据通信产品中的昂贵IC提供过流保护。表面粘着型保险丝（SMF）的典型封装尺寸为1206（3.2x1.6mm）和0603（1.6x0.8mm），这些保险丝最大允许电流为：1206型7安培，0603型5安培。这些晶片保险丝可提供与电池组、移动电话、笔记本、LCD监视器、PDA和调制解调器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。


通用模组型保险丝（UMF）
市场上现有的保险丝均遵循UL248或IEC技术规格。因此粘着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标准概述了通用模组型保险丝（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粘着型保险丝。NANO2通用模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可复位的工作原理是：在过流情况下由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。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
这两种保险丝都由感应电路中过电流产生的热量来实现保护功能，普通保险丝由熔化来中断电流，而PTC则通过将低阻转变为高阻来限制电流。在选择过流保护器件时，通常考虑以下4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作业。


3)时间／电流特性：比较PTC和保险丝的时间／电流曲线图，PTC的感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份特别关键。


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，目前正在开发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。现在已开发出几种提供过电压电路保护的零配件。


变阻器
金属氧化物变阻器（MOV）专为抑制汽车、电信和交流应用中的过电压而设计。MOV是一种电压钳位元件，如电压超过阀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。其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。在敏感电路中粘着的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，是一种适合保护便携式和电脑设备中低电压电路的表面粘着器件，通常应用在移动通信、电脑、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，采用硅闸流管技术以提供变向钳位保护。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。


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。因此要求许多新的电子设备必须满足IEC61000-4-2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半导体电路。不过，随着半导体制程的进步，市场正向低电压高速IC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IPF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（如USB 2.0和下一代电池组线路设计中的数据线）能正常工作。


下一代电池组电路保护
可控式应用系统的发展使得对电池组和保证电路的需要也不断增加。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很容易整合多种功能，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。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证。随着市场越来越多地依赖保护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结构进行了有效补充，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。


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。