電子產(chǎn)品竟越來越“皮實(shí)”？這些電路保護(hù)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(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(hù)器件上。
為什么這么說呢？在現(xiàn)實(shí)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(hù)在需要可靠性的設(shè)計(jì)中是絕對必要的。這就為電路保護(hù)技術(shù)帶來了巨大的市場需求。
根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)Global Information的預(yù)測，2020年全球電路保護(hù)市場規(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)整體市場的年復(fù)合增長率（CAGR）約為4.7%。其中，過流保護(hù)市場將以3.7%的增長率在2027年達(dá)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(jì)CAGR將達(dá)到7.1%，到2027年市場規(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，目前最主要的是過流、過壓保護(hù)這兩種。過流保護(hù)器件包括保險(xiǎn)絲（其中包括多個子集，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，保險(xiǎn)絲只是用于過電流保護(hù)，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(hù)，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(jī)和數(shù)字電子設(shè)備中。常見的過壓保護(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)也是一種重要的過壓保護(hù)器件，它主要依靠聚合物ESD抑制器來實(shí)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(hù)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(dá)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(hù)元件單位市場，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(hù)單個電路連接以及用作反電動勢保護(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，通過對電路進(jìn)行足夠長的保護(hù)，使主保險(xiǎn)絲/斷路器能夠斷開電源，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
3 二極管矩陣
單個二極管固然可以起到電路保護(hù)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(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）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(hù)陣列應(yīng)用原理圖（圖源：貿(mào)澤電子）
4 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，是一種可自動恢復(fù)的過流電子保護(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(xiǎn)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(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(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)浪涌會損壞發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)、CAN/LAN等通信總線、閥門、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(hù)
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(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_、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(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(hù)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(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)的問題。Bourns專門為浪涌和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(xiǎn)絲可用于在故障條件下將電路斷開，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，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(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(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)以及對保護(hù)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(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。
智能門鎖的電路保護(hù)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(jì)將達(dá)到25%，單位增長將從2019年的約700萬套將擴(kuò)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(jī)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(xiǎn)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(hù)組件（圖源：Littelfuse）
對于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(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，同時對無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(hù)市場起了推動的作用。汽車及消費(fèi)電子行業(yè)的增長將對電路保護(hù)市場產(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)市場的滄海一粟，供設(shè)計(jì)人員參考。
