電子產(chǎn)品竟越來越“皮實”？這些電路保護戰(zhàn)線的“安全衛(wèi)士”，來認(rèn)識一下~
相信很多人都有這樣一個感覺：現(xiàn)在的U盤比前幾年的產(chǎn)品要“結(jié)實”多了，即使頻繁熱插拔也不太容易“燒”壞。這也意味著，我們存儲在U盤里的“數(shù)據(jù)”比以往更加安全。深究起來，這個功勞應(yīng)該記在那些隱藏在U盤里的電路保護器件上。
為什么這么說呢？在現(xiàn)實世界中，任何接觸過靜電敏感元件的人都知道，浪涌產(chǎn)生的電壓尖峰會損壞穩(wěn)壓器，人體產(chǎn)生的靜電沖擊會在沒有任何預(yù)兆的情況下“殺死”電子設(shè)備中的微控制器、存儲器等元件。使用環(huán)境中存在的各種不可預(yù)測性揭示了一個道理：電路保護在需要可靠性的設(shè)計中是絕對必要的。這就為電路保護技術(shù)帶來了巨大的市場需求。
根據(jù)咨詢機構(gòu)Global Information的預(yù)測，2020年全球電路保護市場規(guī)模估計為463億美元，到2027年將達到641億美元。2020年至2027年期間，全球電路保護整體市場的年復(fù)合增長率（CAGR）約為4.7%。其中，過流保護市場將以3.7%的增長率在2027年達到269億美元。而中國的市場發(fā)展更是明顯好于平均值，預(yù)計CAGR將達到7.1%，到2027年市場規(guī)模約為129億美元。
典型的電路保護方法及關(guān)鍵器件
市場上的電路保護方法很多，根據(jù)電路保護類型劃分，目前最主要的是過流、過壓保護這兩種。過流保護器件包括保險絲（其中包括多個子集，如自恢復(fù)保險絲）、PTC熱敏電阻和NTC熱敏電阻。從本質(zhì)上說，保險絲只是用于過電流保護，沒有其他用途。它有很多子集，其核心技術(shù)理念是：過電流產(chǎn)生的熱量通過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，然而有時也會用作其他用途，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，主要用在電機和數(shù)字電子設(shè)備中。常見的過壓保護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保護也是一種重要的過壓保護器件，它主要依靠聚合物ESD抑制器來實現(xiàn)。這種器件的工作原理是通過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，我們再舉例介紹幾款常用的電路保護器件。
1 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，齊納二極管在電壓達到二極管反向擊穿電壓時導(dǎo)通，并將電壓保持在該值。齊納二極管代表了一個廣闊的電路保護元件單位市場，因其平均單件單價較低，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)品系列還達到MSL 1級要求，符合J-STD-020標(biāo)準(zhǔn)，LF最大峰值為260°C，并通過了JESD 201 2類測試，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）
2 瞬態(tài)電壓抑制器
簡稱TVS二極管，專門針對大電壓波動，用于保護單個電路連接以及用作反電動勢保護。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到5000W，通過對電路進行足夠長的保護，使主保險絲/斷路器能夠斷開電源，從而實現(xiàn)保護。
3 二極管矩陣
單個二極管固然可以起到電路保護的作用，但對尺寸敏感的應(yīng)用而言，二極管矩陣是更好的選擇。二極管矩陣將多個二極管合并到一個封裝中，可用于多種用途，比如用于保護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）保護二極管陣列，其額定ESD沖擊消散值為IEC 61000-4-2（4級）國際標(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保護陣列應(yīng)用原理圖（圖源：貿(mào)澤電子）
4 自恢復(fù)保險絲
普通保險絲一旦熔斷，就需要更換。與普通保險絲不同，自恢復(fù)保險絲通常為PTC型，是一種可自動恢復(fù)的過流電子保護元件。它采用高分子有機聚合物，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)過特殊工藝加工而成。當(dāng)線路發(fā)生短路或過載時，流經(jīng)自恢復(fù)保險絲的大電流產(chǎn)生的熱量會使聚合樹脂融化，體積迅速增長并形成高阻狀態(tài)，工作電流迅速減小，從而對電路進行限制和保護。當(dāng)故障排除后，自恢復(fù)保險絲重新冷卻結(jié)晶，體積收縮，恢復(fù)為低阻狀態(tài)。市場上商用的PTC保險絲產(chǎn)品很豐富，比如Littelfuse的ASMDC075F就是一種車規(guī)級的表面貼裝自恢復(fù)保險絲，具有較寬的電壓和電流額定值。
汽車設(shè)計中的電路保護方案
隨著自動駕駛汽車、電動汽車和混合動力汽車的持續(xù)增長，曾經(jīng)以機械系統(tǒng)為主的汽車現(xiàn)在充滿了電子設(shè)備，汽車電路保護的需求急劇增加。在汽車電子中，瞬態(tài)浪涌會損壞發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、CAN/LAN等通信總線、閥門、電機、水解控制器等。因此，汽車設(shè)計師必須實施針對ESD、浪涌、電涌和其他威脅的保護機制。
為汽車環(huán)境設(shè)計電子產(chǎn)品非常具有挑戰(zhàn)性。
首先：必須預(yù)見到大范圍的溫度波動。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：沖擊和振動的影響。
1 ESD防護
汽車的ESD有幾種來源，比如乘客在車內(nèi)的動作可能會產(chǎn)生電荷，將個人電子設(shè)備插入到汽車音響系統(tǒng)也可能引來ESD，汽車天線有時也會成為ESD的來源。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)總線的防護要求。
2 電涌保護
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電源母線上的瞬時電壓峰值，由交流發(fā)電機輸出電壓的緩慢調(diào)節(jié)引起。突然卸下電源母線上的大負(fù)載（如蓄電池斷開、電源保險絲熔斷等）將導(dǎo)致交流發(fā)電機輸出突然跳至60V或更高。電涌保護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；作為過壓保護，還包括用于限制浪涌電流的固定電阻器或PTC電阻器等（見圖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：汽車電涌保護方案示意圖（圖源：Littelfuse）
TVS二極管能吸收超過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二極管通過提供二次保護，防止負(fù)載突降和其他瞬態(tài)電壓事件引起的沖擊，從而保護汽車電子設(shè)備。這使得汽車設(shè)計師能夠節(jié)省大量的成本，并減少與部件更換相關(guān)的問題。Bourns專門為浪涌和ESD保護應(yīng)用設(shè)計的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，都可能會發(fā)生短路。一次性保險絲可用于在故障條件下將電路斷開，防止進一步損壞周邊電子器件或發(fā)生火災(zāi)。其缺點是，一旦保險絲工作，電路將無法再工作，必須修理或更換。PTC器件屬于自恢復(fù)保險絲，正常工作電流下，PTC的電阻值較低。當(dāng)存在故障電流時，PTC裝置會升溫，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)保險絲的最高工作溫度達到125℃，遠高于常規(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可能需要很長時間才能跳閘。
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)采用的保護器件。對于高速差分以太網(wǎng)接口，可采用ESD和瞬態(tài)浪涌保護方法，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)以及對保護裝置的需求（圖源：Littelfuse）
對于CAN收發(fā)器接口，可參考使用二極管陣列來防止快速瞬變和ESD，比如Littelfuse AQ24CANA系列。Bourns的SMxJ-Q系列也是專門為浪涌和ESD保護應(yīng)用設(shè)計的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。
智能門鎖的電路保護方案
智能門鎖市場是一個高增長市場。根據(jù)Grandview Research的預(yù)測，該市場的復(fù)合年增長率（CAGR）預(yù)計將達到25%，單位增長將從2019年的約700萬套將擴大到2024年的約2300萬套。其中，住宅市場將占增長的大部分，約為70%。智能鎖包括用于手動訪問的鍵盤、用于通過智能手機軟件應(yīng)用程序訪問的無線協(xié)議鏈路、用于監(jiān)控門把手位置的傳感器、用于鎖定或解鎖大門的執(zhí)行器以及對非正常開鎖行為的檢測。ESD是智能鎖電子設(shè)備的主要危險之一，用戶界面和無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組件（圖源：Littelfuse）
對于ESD保護，設(shè)計者可以考慮使用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電壓的保護水平。
無線接口連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)或無線LAN（WiFi網(wǎng)絡(luò)），以便與智能手機或其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信。由于它常年暴露在外部環(huán)境，無線接口需要具有ESD保護，這里可以使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器的價值在于其響應(yīng)和吸收ESD瞬態(tài)的能力，同時對無線接口輸出的特性阻抗的影響可以忽略不計。
本文小結(jié)
消費者對電子產(chǎn)品質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識不斷提高，同時全球電子行業(yè)不斷發(fā)展，這些都對全球電路保護市場起了推動的作用。汽車及消費電子行業(yè)的增長將對電路保護市場產(chǎn)生巨大影響。更緊湊的表面貼裝設(shè)計使得集成電路（IC）更容易受到電路中電涌的影響，因而電路保護是一個必不可少的設(shè)計環(huán)節(jié)。本文提到的幾種保護方案和涉及的產(chǎn)品只是電路保護市場的滄海一粟，供設(shè)計人員參考。
