防ESD浪涌保護器件的使用原則

ID:807588 · 發表于 2020-11-4 17:03

防靜電、防過電流和過電壓沖擊是工程師設計電子產品時必須考慮的一個問題。

過流保護：保險絲

設計人員現在可選擇幾種技術以提供過流保護，這些技術包括傳統的熔絲管（玻璃和陶瓷型）、薄膜保險絲和基于聚合物的正溫度系數（PTC）器件。

表面粘著型保險絲

薄膜保險絲屬于外形小巧類表面粘著元件，可為下一代電腦和電信／數據通信產品中的昂貴IC提供過流保護。表面粘著型保險絲（SMF）的典型封裝尺寸為1206（3.2x1.6mm）和0603（1.6x0.8mm），這些保險絲最大允許電流為：1206型7安培，0603型5安培。這些晶片保險絲可提供與電池組、移動電話、筆記本、LCD監視器、PDA和調制解調器匹配良好的緊湊設計。當前，用薄膜技術設計出的最小保險絲尺寸為0402，允許的電流范圍從250mA到2A。

PTC可復位保險絲

PTC可復位的工作原理是：在過流情況下由自身電阻來保護電路免受損害，一旦電流恢復正常，PTC可復位保險絲能自動恢復到正常低阻值。這些特性使得PTC可復位保險絲成為電池供電和數據通信應用的理想選擇，因為這些應用在更換電池或熱插拔數據連接時可能會出現瞬間電涌。PTC可復位保險絲通常在某些電路中取代傳統的玻璃保險絲，并主要用于USB應用。

選擇PTC可復位保險絲還是普通保險絲

這兩種保險絲都由感應電路中過電流產生的熱量來實現保護功能，普通保險絲由熔化來中斷電流，而PTC則通過將低阻轉變為高阻來限制電流。在選擇過流保護器件時，通常考慮以下4個因素：
1)可復位性：兩者最明顯的差異在于PTC是可復位的，通常過流發生后采取的步驟是先斷電，然后使器件冷卻下來。
2)阻抗：產品技術規格顯示，在額定值大致相同的情況下，PTC具有保險絲兩倍以上的阻抗。這個特性在設計電池供電設備時尤其突出，高阻抗器件增加的電能消耗不僅會縮短電池的壽命，而且還將導致更頻繁的充電作業。
3)時間／電流特性：比較PTC和保險絲的時間／電流曲線圖，PTC的感應速度比普通保險絲要慢得多，而這一點對保護電路中異常敏感的部份特別關鍵。
4)尺寸：普通保險絲的功率密度比PTC大得多，高達5安培的保險絲已可采用0603封裝，2安培的則采用0402封裝，目前正在開發1206封裝，并致力于增加電流承載能力。

過壓保護

任何電子設備均可能出現瞬態電壓。現在已開發出幾種提供過電壓電路保護的零配件。

變阻器

金屬氧化物變阻器（MOV）專為抑制汽車、電信和交流應用中的過電壓而設計。MOV是一種電壓鉗位元件，如電壓超過閥值則其阻抗將變得非常小。MOV具有高度非線性電壓阻抗（V-I）特性，反應速度快，能承受很高峰值電流，待機狀態下漏泄電流又較低。其主要應用是保護那些必須滿足瞬態電壓浪涌抑制器UL1449所列要求的產品免受雷電損害。鄰近著地雷或高空雷都可能在初級和次級電路中產生電壓，而直接雷擊能夠在交流電源和電話線中產生高壓電涌。在敏感電路中粘著的MOV器件可以將雷擊帶來的不利影響最小化。

多層變阻器（MLV）較小，是一種適合保護便攜式和電腦設備中低電壓電路的表面粘著器件，通常應用在移動通信、電腦、醫療和便攜式設備中。

瞬態電壓抑制器

瞬態電壓抑制器是另一種選擇，Surgector就是其中之一，它專為有線通信系統提供二級保護而設計，采用硅閘流管技術以提供變向鉗位保護。該器件可用來吸收電信電路的暫態波形和高峰值浪涌電流。

ESD抑制器

現代電子系統（不論是移動的、機載的，還是陸基的）中的高密度電路，都很容易受到靜電或ESD的侵害。因此要求許多新的電子設備必須滿足IEC61000-4-2標準。

傳統的鉗位二極管和多層變阻器（MLV）通常用來保護低速高功耗半導體電路。不過，隨著半導體制程的進步，市場正向低電壓高速IC方向發展，這些具有較大寄生電容的器件可能會導致信號傳輸失真。目前一種從聚合物正溫度系數（PTC）技術發展而來的新器件具有處理常出現在IC之間的較大ESD脈沖所需的性能。

靜電（ESD）抑制器的聚合物結構使得制造商可生產出各種形狀因子和配置的ESD抑制器，以滿足各種不同應用的需要。該器件具有小于IPF的電容，可提供良好的限制信號降級和衰減的性能，以保證高速數據（如USB 2.0和下一代電池組線路設計中的數據線）能正常工作。 <br />

下一代電池組電路保護

可控式應用系統的發展使得對電池組和保證電路的需要也不斷增加。隨著多功能保護IC的出現，電池組設計人員也將研究重點轉向采用單個多功能保護器件的安全應用。雖然IC很容易整合多種功能，但它們容易受到ESD和熱過載的影響。由于電池組的終端是裸露的，因此ESD對它的影響很大。ESD可導致災難性損害，它可使電池組失效，或者帶來危害更大的潛在故障。從表面來看，潛在故障并未對保護IC造成任何影響，但實際上在某些條件下它將使得保護IC不能正常工作或進行預期的保證。隨著市場越來越多地依賴保護IC，對電路來說ESD保護也變得非常關鍵。分立二極管、多層變阻器或基于聚合物的ESD解決方案對保護IC的ESD結構進行了有效補充，提供最高至15kv的ESD保護。

除了ESD，保護IC還容易受到長時間過載條件下的熱應力影響。由于IC的擊穿特性，因此有可能存在一種故障模式，即電路在安全工作限制之外仍能正常工作。隨著對多功能保護IC依賴的增強，保險絲保護方案僅用于冗余保護。

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