用于移动电子设备的电路保护方案

标签：瞬态保护  PESD

便携式媒体播放器、导航设备、智能手机、PlayStation以及其他电池供电的便携式设备的移动功能，为消费者提供了一种生活方式——可以将家里、办公地点以及交通工具三者之间越来越紧密地联系在一起。然而，这种便捷伴随着一定的风险。这些产品的每次开启和关闭都可能会因为用户失误、电源电压不正确或者是瞬态电压或瞬态电流而导致电路损坏。

移动多媒体设备正在从以音频为主的设备向以视频存储为主的设备演变，对电源、数据传输速率以及电路设计的尺寸都提出了更高的要求。这些越来越小的移动设计也提出了更小、更可靠的电路保护器件的需求。通过在材料科学以及更高效设计方面的加速研究，电路保护器件制造商通过开发具有更小、更方便的封装且满足现有性能水平的新器件来跟上发展的步伐(如图1所示)。

图1 新的电路保护方式支持最新的移动设备

这篇文章通过两个例子来探究新的电路保护技术如何帮助设计工程师节省宝贵的电路板空间，并满足不断发展的安全和性能标准。

瞬态保护设计

在澳大利亚等国家中，目前手机的数量已经超过了人口数量;而在包括美国在内的许多国家中，手机数量已超过有线电话数量。移动设备的这种增长不仅增加了用户出现失误的可能性，而且各种应用对功率更高的要求导致了电源需求的上升，伴随而来的还有更大的风险，这些风险来自于感应电压尖峰以及其他连接或热插拔时的瞬态电压。

在设计可能由计算机总线以及汽车电源总线供电的外围设备时，瞬态保护是非常重要的。在计算机总线上，5V线路上感应产生的电压尖峰可能超过8V，而12V线路上的则可能超过16V，这可能会损坏无保护的外围设备。随着低成本第三方交流-USB转换器以及汽车点烟器-USB转换器的出现，在计算机总线上瞬态电压出现的可能性持续增加。

众所周知，汽车电源总线上很不干净。尽管它们的标称电压是12V，但是在正常工作状态下电压可能为8～16V。此外，电池电流可能超过100A，也可能因为通过一个继电器或保险丝而瞬间停止，在总线上产生很大的感应尖峰，使得电压增加了5倍甚至更多。随着车内大功率电子设备的增加，感应尖峰出现的可能性也会随之增加。

第三方电源转换器变得越来越普及而且可能会滤除一些瞬态电压，但是泰科电子公司的测试显示，它们的瞬态抑制性能参差不齐。有时会使用定制的键控电源连接器来避免使用标称不正确或设计不当的电源。不过这种解决办法会产生自加工成本，而且不一定能保证与第三方电源适配器保持绝缘。

在另一种保护方案中，可承受高电压的硅方案可以用来提供稳定电压输出以及过压锁定功能。集成硅方案的问题在于，它通常需要大量的额外费用。

传统的钳位二极管是最简单的保护方案。但是，为了承受未经认可的充电器可能的电源输出并提供可重置的保护，这种二极管必须能够消耗掉未经许可的充电器所能够释放的几乎全部能量。所以，这样的保护方案就需要大的二极管以及较大的散热结构，所以它是个不现实的选择。

聚合物增强型齐纳二极管

另一种可选的方案是聚合物增强型齐纳二极管，它为设计人员提供了传统钳位二极管的简单性，同时避免了使用较大的散热片。这种器件不仅保护敏感电子设备不会因为使用了不合适的供电电源而受到损坏，而且也提供了瞬态抑制，反偏压保护以及过电流保护，其封装为小型的单片封装。

如图2所示，聚合物增强型齐纳二极管的微组装集成了一个稳定的齐纳二极管用于有效的电压钳位，阻值非线性的PPTC(聚合物正温度系数)层。PPTC层对二极管加热或过电流现象的响应是从低电阻态转变为高电阻态。如果出现持续的大功率过压条件，所启动的PTC元件会限制电流并产生压降，以保护齐纳二极管以及后续的电子器件 ——有效地增加了二极管的功率处理能力。

图2 聚合物增强型齐纳二极管器件为便携式电子设备提供输入功率保护

这种器件在钳位和消除感应电压尖峰方面非常有效。作为对感应尖峰的响应，齐纳二极管元件将电流分流到地，直到电压降低到正常工作范围。如果电源电压不合适，这个器件会将电压钳位，将剩余的功率分流到地，最终消除不合适的电压，如图3所示。

图3 聚合物增强型齐纳二极管钳位和消除感应电压尖峰

聚合物增强型齐纳二极管相对平坦的电压-电流响应帮助对输出电压进行钳位，即使在输入电压和电源电流变化的时候也是如此。简单地说，聚合物增强型器件提供了一种能够像齐纳二极管那样提供保护的部件，与齐纳二极管相比，除了正常PCB印刷线路之外，不需要其他特殊的散热结，可以承受非常高的电源故障条件。

PESD器件

目前，几乎每种消费电子设备中都存在超高速差分接口。从USB 2.0到E-SATA，再到专利HDMI 1.3，差分信号已经成为传输和接收数据的首选方法。这些高速应用中的一个主要的设计难题是确保满足电子设备所需要的ESD保护。

在这些应用中，传统保护器件的寄生阻抗会使信号变形并恶化信号完整性，这使得小电容ESD保护成为保持数据完整性的关键。

在宽频率范围内的低插入损耗和稳定的电容，也为提供充分保护、低成本、最小信号衰减的设计目标做出了重要贡献。插入损耗是信号衰减和频率关系的一种重要衡量指标。较大的插入损耗会导致器件和系统的带宽较窄。

ESD保护器件的电容与频率的关系特性也会影响高速端口的设计性能，并会给设计带来限制。在高速系统中，设计用于特定电容值的电路可能会因为所使用ESD保护技术的不同而具有不同的性能。

图4显示了一种使用泰科电子PESD器件的HDMI电路保护的典型设计。这种保护器件帮助将ESD从敏感电路分流，并提供了与传统MLV(叠层片式压敏电阻)或TVS(瞬态电压抑制)二极管技术相比特别小的电容。

图4 带有PESD器件的典型HDMI电路原理图

在传输线脉冲(TLP)测试以及IEC61000-4-2测试中，PESD器件性能要优于其他同类器件，特别是在多次电涌之后(多达1000次)。这种器件的低触发电压和低钳位电压也有助于保护敏感的电子器件。