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標題: 電路保護設計之于電子工程師，要做好到底有多難？ [打印本頁]

作者: 小融1號 時間: 2017-7-11 10:32
標題: 電路保護設計之于電子工程師，要做好到底有多難？

隨著電子系統的復雜性和集成度越來越高，而工作電壓越來越低，電子系統對可靠性、穩定性和安全性的要求也越來越高，電路保護設計的重要性也越來越強。在電路保護設計中，電路保護器件的選擇和應用是否合理，將直接影響電子系統電路保護方案的保護效果。

近年來下游市場，不管是電子產品、汽車電子還是工業領域及USB Type-C的各種設備，對小型化、集成化的要求都越來越高，因此對電容器、電感器、電阻器以及電路保護元器件等基礎電子元器件的尺寸要求也越來越苛刻。電子工程師這碗飯是越來越難吃了！在智能化時代，連保護電路設計也要涉及智能化。譬如，局部電路保護與整體電路保護的反饋，當某一電路保護元器件發生動作時，立即向控制臺匯報，并對整體電路的保護元器件發出動作指令，實現整體協調保護功能；還有主動保護，即保護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品可靠性的角度上來，因此主動元件、芯片會被逐步引入電路保護領域。

火到不行的USB Type-C，雖然能力很強但也需要被保護

從性能上看，USB Type-C幾乎是“萬能”的。在數據傳輸方面，它支持USB3.1規范，每個通道的數據帶寬可達到10Gbps；同時它也是電子設備的功率傳輸接口，基于最新的USB-PD協議，經由USB Type-C可傳輸最高100W的功率；此外，USB Type-C同時支持數據和音視頻信號的傳輸，堪稱多面手；最后，在物理結構上USB Type-C支持無方向的正反插，身材也更纖細，讓用戶體驗又上了一個臺階。由此可以看出，USB-IF為這次產品標準的升級做足了準備。

不過在談論USB Type-C的種種“美好”之時，其產品可靠性的問題也不容忽視，使用中由于熱插拔、短路、ESD、故障設備和用戶誤操作引發的風險，需要有可靠的電路保護措施來化解。否則，挑剔的消費者也是不會買單的。

通常意義上的電路保護包括過流保護和過壓保護。USB Type-C的過流保護有四種不同的設計架構。第一種是直接采用集成了功率開關的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+電流感應電路”的方案，但性能受限。其他兩種“PD控制器+外置功率開關”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，可以實現最佳的性價比，并且在5-20V的電壓范圍內有多種型號供開發者選擇。

USB Type-C的過壓保護方面是通過TVS來實現的。由于USB Type-C正反插無方向的結構，其具有上下兩組對稱的接口，每組包括兩組10Gbps高速數據收發通道（SSRX+/SSRX -，SSTX+/SSTX -）、一組兼容以前USB標準的480Mbps數據通道（D+/D-）和一組進行USB-PD協議通信的專用通道（CC+/-），所以需要保護的通道數量也較以往的USB接口更多，這就需要TVS陣列出場了。為此電路保護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6通道TVS陣CDDFN10-0516P列和一個4 通道TVS陣列CDDFN10-0524P，只需三顆器件就完成了USB Type-C的過壓保護。

為了幫助工程師正確理解電路保護設計及器件選擇，合理應用電路保護器件設計高效的電路保護解決方案，本文將主要介紹：

第一部分介紹常用過流、過壓、過溫保護電路之選型技巧；

第二部分重點分析USB Type-C、保險絲、瞬態電壓抑制器、ESD保護器件、防雷保護器件等的實際應用方案；

首先，作為專業級的電子工程師就必須要注意做好以下幾點設計考慮了。

一、常用過流、過壓、過溫保護電路之選型技巧

事實上，電路保護主要有三種形式：過壓保護、過流保護和過溫保護。

選擇適當的電路保護器件是實現高效、可靠的電路保護設計之關鍵的第一步，那么，如何合理選擇電路保護器件？不同的保護器件其保護原理也各有不同，選擇的時候應結合其保護原理、工作條件和使用環境來考慮。

將介紹常用的幾種過壓、過流和過溫保護器件之選型技巧，幫助工程師正確選擇電路保護器件。

1.過壓保護器件的選型要點

過壓保護器件（OVP）用于保護后續電路免受甩負載或瞬間高壓的破壞，常用的過壓保護器件有壓敏電阻、瞬態電壓抑制器、靜電抑制器和放電管等。過壓保護器件選型應注意以下四個要點：

1）關斷電壓Vrwm的選擇。一般關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沖擊狀態時通過TVS的電壓，它必須小于被保護電路的能承受的最大瞬態電壓

3）浪涌功率Pppm的選擇。不同功率，保護的時間不同，如600w（10/1000us）;300W（8/20us）

4）極間電容的選擇。被保護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保護器件，最大的難點在于如何最容易地明確哪種器件可以提供最大的保護。系統供應商一般是通過數據手冊上的ESD額定值（或標稱值）來比較ESD保護器件的好壞。事實上，從這些額定值根本看不出器件保護系統的能力有多強，關鍵取決于其二極管參數。主要的參考系數應該是：

快速響應時間

低箝位電壓

高電流浪涌承受能力

選擇ESD器件應該遵循下面的要求：

（1）選擇靜電保護器件注意：

• 箝制電壓不要超過受保護器件的最大承受電壓

• 電路電壓不超過保護器件工作電壓

• 低電容值、漏電流盡可能的減少干擾及損耗

（2）靜電保護器件盡量安裝在最接近靜電輸入的地方，遠離被保護器件

（3）靜電保護器件一定接的大地線，不是數字地線

（4）回地的線路盡量的短，靜電保護器件與被保護線路之間的距離盡量的短

（5）盡量避免被保護與未被保護線路并排走線

1.2壓敏電阻

壓敏電阻選用時應注意的是：連續施加在壓敏電阻兩端的電源電壓，不能超過規格表中列出的¡°最大持續工作電壓¡±值。還要充分考慮到電網（或電路）工作電壓的波動幅度，選取壓敏電阻的壓敏電壓值時，要留有足夠的余量。國內一般的波動幅度為30%。通過壓敏電阻的最大浪涌電流不應超過技術規格書中的¡°最大沖擊電流¡±值（也就是最大通流量）。考慮到要耐受多次沖擊時，應該選用能耐受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的部件或設備能承受的最大電壓（即安全電壓）。

1.3 瞬態電壓抑制器TVS

瞬態電壓抑制器（TVS）是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它能以10-12秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

TVS管的選用應注意以下幾點：

確定被保護電路的最大直流或連續工作電壓、電路的額定標準電壓和“高端”容限。

TVS額定反向關斷VWM應大于或等于被保護電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進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應小于被保護電路的損壞電壓。

在規定的脈沖持續時間內，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護電路內可能出現的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應大于瞬態浪涌電流。

對于數據接口電路的保護，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

根據用途選用TVS的極性及封裝結構。交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護選用TVS陣列更為有利。

溫度考慮。瞬態電壓抑制器可以在-55~+150℃之間工作。

1.4 陶瓷氣體放電管

陶瓷氣體放電管屬于開關組件，用于電源防雷器共模電路中將雷電流泄放入地，也可用在差模電路中與壓敏電阻串聯而阻斷其漏電流。在信號防雷器中常用于第一級泄放浪涌電流，由于其反應速度慢，還要用第二級作限壓保護。

在選擇陶瓷氣體放電管時應注意：

陶瓷氣體放電管不能直接用在電源上做差模保護；

擊穿電壓要大于線路上最大信號電頻電壓；

耐電流不能小于線路上可能出現的最大異常電流；

還有脈沖擊穿電壓須小于被保護線路電壓。

2.過流保護器件的選型

過流保護器件主要有一次性熔斷器、自恢復熔斷器、熔斷電阻和斷路器等，其中，最重要的過流保護器件是熔斷器，也叫保險絲。它一般串聯在電路中，要求其電阻要小（功耗小），當電路正常工作時，它只相當于一根導線，能夠長時間穩定的導通電路;由于電源或外部干擾而發生電流波動時，也應能承受一定范圍的過載;只有當電路中出現較大的過載電流（故障或短路）時，熔斷器才會動作，通過斷開電流來保護電路的安全，以避免產品燒毀的危險。

在熔斷器分斷電路的過程中，由于電路電壓的存在，在熔體斷開的瞬間會發生電弧，高質量的熔斷器應該盡量避免這種飛弧;在分斷電路后，熔斷器應能耐受加在兩端的電路電壓。熔斷器受脈沖損傷會逐步降低承受脈沖的能力，選用時需要考慮必要的安全余量;這個安全余量是指熔斷器的總熔斷（動作）時間，它是預飛弧時間和飛弧時間之和。所以在選擇的時候需要留意它的熔斷特性和額定電流這個基本條件;另外安裝時要考慮熔斷器周邊的環境，熔斷器只有達到本身的熔化熱能值的時候才會熔斷，如果是在環境較冷的狀況下，它的熔斷時間會變化，這是使用時必須留意的。

總的來說，保險絲的選型應注意以下十個要素：

額定電流;

額定電壓;

環境溫度;

電壓降 / 冷電阻;

熔斷特性：過載能力，時間 / 電流特性;

分斷能力;

熔化熱能值;

耐久性（壽命）;

結構特征：外形 / 尺寸，安裝形式;

安全認證

結合以上的十個保險絲選用注意要素，保險絲的選用可根據下圖所示的流程來進行。

3.過溫保護器件的選型

過溫保護器件主要有熱敏電阻、溫度開關和溫度熔斷器等。在電源設計中經常使用NTC熱敏電阻型浪涌抑制器作過溫保護，因為其抑制浪涌電流的能力與普通電阻相當，但在電阻上的功耗則可降低幾十到上百倍。

NTC熱敏電阻，即負溫度系數熱敏電阻，其特性是電阻值隨著溫度的升高而呈非線性的下降。NTC熱敏電阻的選型要考慮以下幾個要點：

1）最大額定電壓和濾波電容值

濾波電容的大小決定了應該選用多大尺寸的NTC。對于某個尺寸的NTC熱敏電阻來說，允許接入的濾波電容的大小是有嚴格要求的，這個值也與最大額定電壓有關。在電源應用中，開機浪涌是因為電容充電產生的，因此通常用給定電壓值下的允許接入的電容量來評估NTC熱敏電阻承受浪涌電流的能力。簡單來說，就是輸入電壓越大，允許接入的最大電容值就越小，反之亦然。NTC熱敏電阻產品的規范一般定義了在220Vac下允許接入的最大電容值。

2）產品允許的最大啟動電流值和長期加載在NTC熱敏電阻上的工作電流

電子產品允許的最大啟動電流值決定了NTC熱敏電阻的阻值。產品正常工作時，長期加載在NTC熱敏電阻上的電流應不大于規格書規定的電流。

在USB Type-C過溫保護方面，一些創新性的產品和方案也正在逐漸進入人們的視野。Bourns公司在Type-C過溫保護方面提出的兩種解決方案都頗具競爭優勢：一種是采用mini-Breaker 控溫器件，它是一個可恢復器件，在溫度異常（過高）時觸發，而在電源被切斷或溫度回到安全水平時自恢復；另一種采用P-TCO的方案，P-TCO是溫度觸發的可恢復保險絲，與mini-Breaker相比體積更小，且在成本上也更有競爭力。這兩種方案各具特色，可為不同應用需求的開發者提供更多差異化的空間。

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