正確理解電路保護(hù)設(shè)計(jì)及器件選擇資料下載

隨著電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和集成度越來(lái)越高，而工作電壓越來(lái)越低，電子系統(tǒng)對(duì)可靠性、穩(wěn)定性和安全性的要求也越來(lái)越高，電路保護(hù)設(shè)計(jì)的重要性也越來(lái)越強(qiáng)。在電路保護(hù)設(shè)計(jì)中，電路保護(hù)器件的選擇和應(yīng)用是否合理，將直接影響電子系統(tǒng)電路保護(hù)方案的保護(hù)效果。 近年來(lái)下游市場(chǎng)，不管是電子產(chǎn)品、汽車(chē)電子還是工業(yè)領(lǐng)域及USB Type-C的各種設(shè)備，對(duì)小型化、集成化的要求都越來(lái)越高，因此對(duì)電容器、電感器、電阻器以及電路保護(hù)元器件等基礎(chǔ)電子元器件的尺寸要求也越來(lái)越苛刻。電子工程師這碗飯是越來(lái)越難吃了！在智能化時(shí)代，連保護(hù)電路設(shè)計(jì)也要涉及智能化。譬如，局部電路保護(hù)與整體電路保護(hù)的反饋，當(dāng)某一電路保護(hù)元器件發(fā)生動(dòng)作時(shí)，立即向控制臺(tái)匯報(bào)，并對(duì)整體電路的保護(hù)元器件發(fā)出動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)保護(hù)功能；還有主動(dòng)保護(hù)，即保護(hù)不再僅僅是局限在安全方面，而是上升到使電路原有功能不受影響和提高產(chǎn)品可靠性的角度上來(lái)，因此主動(dòng)元件、芯片會(huì)被逐步引入電路保護(hù)領(lǐng)域。 火到不行的USB Type-C，雖然能力很強(qiáng)但也需要被保護(hù) 從性能上看，USB Type-C幾乎是“萬(wàn)能”的。在數(shù)據(jù)傳輸方面，它支持USB3.1規(guī)范，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)到10Gbps；同時(shí)它也是電子設(shè)備的功率傳輸接口，基于最新的USB-PD協(xié)議，經(jīng)由USB Type-C可傳輸最高100W的功率；此外，USB Type-C同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)和音視頻信號(hào)的傳輸，堪稱(chēng)多面手；最后，在物理結(jié)構(gòu)上USB Type-C支持無(wú)方向的正反插，身材也更纖細(xì)，讓用戶(hù)體驗(yàn)又上了一個(gè)臺(tái)階。由此可以看出，USB-IF為這次產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)做足了準(zhǔn)備。 不過(guò)在談?wù)揢SB Type-C的種種“美好”之時(shí)，其產(chǎn)品可靠性的問(wèn)題也不容忽視，使用中由于熱插拔、短路、ESD、故障設(shè)備和用戶(hù)誤操作引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，需要有可靠的電路保護(hù)措施來(lái)化解。否則，挑剔的消費(fèi)者也是不會(huì)買(mǎi)單的。 通常意義上的電路保護(hù)包括過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)。USB Type-C的過(guò)流保護(hù)有四種不同的設(shè)計(jì)架構(gòu)。第一種是直接采用集成了功率開(kāi)關(guān)的PD控制器IC，這種方案的集成度較高，性能也最好，但是成本也比較高。第二種成本比較低的是“PD控制器 電流感應(yīng)電路”的方案，但性能受限。其他兩種“PD控制器 外置功率開(kāi)關(guān)”的方案和 “PD控制器 MOSFET PTC”的方案成本適中，其中后者是Bourns公司特有的方案，可以實(shí)現(xiàn)最佳的性?xún)r(jià)比，并且在5-20V的電壓范圍內(nèi)有多種型號(hào)供開(kāi)發(fā)者選擇。 USB Type-C的過(guò)壓保護(hù)方面是通過(guò)TVS來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于USB Type-C正反插無(wú)方向的結(jié)構(gòu)，其具有上下兩組對(duì)稱(chēng)的接口，每組包括兩組10Gbps高速數(shù)據(jù)收發(fā)通道（SSRX /SSRX -，SSTX /SSTX -）、一組兼容以前USB標(biāo)準(zhǔn)的480Mbps數(shù)據(jù)通道（D /D-）和一組進(jìn)行USB-PD協(xié)議通信的專(zhuān)用通道（CC /-），所以需要保護(hù)的通道數(shù)量也較以往的USB接口更多，這就需要TVS陣列出場(chǎng)了。為此電路保護(hù)元器件廠商推出了小型化、高集成的方案。比如Bourns的方案， 利用兩個(gè)6通道TVS陣CDDFN10-0516P列和一個(gè)4 通道TVS陣列CDDFN10-0524P，只需三顆器件就完成了USB Type-C的過(guò)壓保護(hù)。 為了幫助工程師正確理解電路保護(hù)設(shè)計(jì)及器件選擇，合理應(yīng)用電路保護(hù)器件設(shè)計(jì)高效的電路保護(hù)解決方案，本文將主要介紹： 第一部分介紹常用過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫保護(hù)電路之選型技巧； 第二部分重點(diǎn)分析USB Type-C、保險(xiǎn)絲、瞬態(tài)電壓抑制器、ESD保護(hù)器件、防雷保護(hù)器件等的實(shí)際應(yīng)用方案； 首先，作為專(zhuān)業(yè)級(jí)的電子工程師就必須要注意做好以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)考慮了。 一、常用過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫保護(hù)電路之選型技巧 事實(shí)上，電路保護(hù)主要有三種形式：過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)。 選擇適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)器件是實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電路保護(hù)設(shè)計(jì)之關(guān)鍵的第一步，那么，如何合理選擇電路保護(hù)器件？不同的保護(hù)器件其保護(hù)原理也各有不同，選擇的時(shí)候應(yīng)結(jié)合其保護(hù)原理、工作條件和使用環(huán)境來(lái)考慮。 將介紹常用的幾種過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)器件之選型技巧，幫助工程師正確選擇電路保護(hù)器件。 1.過(guò)壓保護(hù)器件的選型要點(diǎn) 過(guò)壓保護(hù)器件（OVP）用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞，常用的過(guò)壓保護(hù)器件有壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器、靜電抑制器和放電管等。過(guò)壓保護(hù)器件選型應(yīng)注意以下四個(gè)要點(diǎn)： 1）關(guān)斷電壓Vrwm的選擇。一般關(guān)斷電壓至少要比線路最高工作電壓高10% 2）箝位電壓VC的選擇。VC是指在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓，它必須小于被保護(hù)電路的能承受的最大瞬態(tài)電壓 3）浪涌功率Pppm的選擇。不同功率，保護(hù)的時(shí)間不同，如600w（10/1000us）;300W（8/20us） 4）極間電容的選擇。被保護(hù)元器件的工作頻率越高，要求TVS的電容要越小 1.1 ESD抑制器 選擇合適的ESD保護(hù)器件，最大的難點(diǎn)在于如何最容易地明確哪種器件可以提供最大的保護(hù)。系統(tǒng)供應(yīng)商一般是通過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)上的ESD額定值（或標(biāo)稱(chēng)值）來(lái)比較ESD保護(hù)器件的好壞。事實(shí)上，從這些額定值根本看不出器件保護(hù)系統(tǒng)的能力有多強(qiáng)，關(guān)鍵取決于其二極管參數(shù)。主要的參考系數(shù)應(yīng)該是： ---快速響應(yīng)時(shí)間 ---低箝位電壓 ---高電流浪涌承受能力 選擇ESD器件應(yīng)該遵循下面的要求： （1）選擇靜電保護(hù)器件注意： ? 箝制電壓不要超過(guò)受保護(hù)器件的最大承受電壓 ? 電路電壓不超過(guò)保護(hù)器件工作電壓 ? 低電容值、漏電流盡可能的減少干擾及損耗 （2）靜電保護(hù)器件盡量安裝在最接近靜電輸入的地方，遠(yuǎn)離被保護(hù)器件 （3）靜電保護(hù)器件一定接的大地線，不是數(shù)字地線 （4）回地的線路盡量的短，靜電保護(hù)器件與被保護(hù)線路之間的距離盡量的短 （5）盡量避免被保護(hù)與未被保護(hù)線路并排走線 1.2壓敏電阻 壓敏電阻選用時(shí)應(yīng)注意的是：連續(xù)施加在壓敏電阻兩端的電源電壓，不能超過(guò)規(guī)格表中列出的?°最大持續(xù)工作電壓?±值。還要充分考慮到電網(wǎng)（或電路）工作電壓的波動(dòng)幅度， 選取壓敏電阻的壓敏電壓值時(shí)，要留有足夠的余量。國(guó)內(nèi)一般的波動(dòng)幅度為30%。通過(guò)壓敏電阻的最大浪涌電流不應(yīng)超過(guò)技術(shù)規(guī)格書(shū)中的?°最大沖擊電流?±值 （也就是最大通流量）?？紤]到要耐受多次沖擊時(shí)，應(yīng)該選用能耐受10次以上沖擊的浪涌電流值。 壓敏電阻的箝位電壓必須小于被保護(hù)的部件或設(shè)備能承受的最大電壓（即安全電壓）。 1.3 瞬態(tài)電壓抑制器TVS 瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。 TVS管的選用應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限。 TVS額定反向關(guān)斷VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串行連接分電壓，并行連接分電流。 TVS的最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。 在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。 對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。