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[其他] 电路保护设计之于电子工程师,要做好到底有多难?

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发表于 2017-7-11 11:37:57 |显示全部楼层
随着电子系统的复杂性和集成度越来越高,而工作电压越来越低,电子系统对可靠性、稳定性和安全性的要求也越来越高,电路保护设计的重要性也越来越强。在电路保护设计中,电路保护器件的选择和应用是否合理,将直接影响电子系统电路保护方案的保护效果。



近年来下游市场,不管是电子产品、汽车电子还是工业领域及USB Type-C的各种设备,对小型化、集成化的要求都越来越高,因此对电容器、电感器、电阻器以及电路保护元器件等基础电子元器件的尺寸要求也越来越苛刻。电子工程师这碗饭是越来越难吃了!在智能化时代,连保护电路设计也要涉及智能化。譬如,局部电路保护与整体电路保护的反馈,当某一电路保护元器件发生动作时,立即向控制台汇报,并对整体电路的保护元器件发出动作指令,实现整体协调保护功能;还有主动保护,即保护不再仅仅是局限在安全方面,而是上升到使电路原有功能不受影响和提高产品可靠性的角度上来,因此主动元件、芯片会被逐步引入电路保护领域。

火到不行的USB Type-C,虽然能力很强但也需要被保护

从性能上看,USB Type-C几乎是“万能”的。在数据传输方面,它支持USB3.1规范,每个通道的数据带宽可达到10Gbps;同时它也是电子设备的功率传输接口,基于最新的USB-PD协议,经由USB Type-C可传输最高100W的功率;此外,USB Type-C同时支持数据和音视频信号的传输,堪称多面手;最后,在物理结构上USB Type-C支持无方向的正反插,身材也更纤细,让用户体验又上了一个台阶。由此可以看出,USB-IF为这次产品标准的升级做足了准备。

不过在谈论USB Type-C的种种“美好”之时,其产品可靠性的问题也不容忽视,使用中由于热插拔、短路、ESD、故障设备和用户误操作引发的风险,需要有可靠的电路保护措施来化解。否则,挑剔的消费者也是不会买单的。



通常意义上的电路保护包括过流保护和过压保护。USB Type-C的过流保护有四种不同的设计架构。第一种是直接采用集成了功率开关的PD控制器IC,这种方案的集成度较高,性能也最好,但是成本也比较高。第二种成本比较低的是“PD控制器+电流感应电路”的方案,但性能受限。其他两种“PD控制器+外置功率开关”的方案和 “PD控制器+MOSFET+PTC”的方案成本适中,其中后者是Bourns公司特有的方案,可以实现最佳的性价比,并且在5-20V的电压范围内有多种型号供开发者选择。



USB Type-C的过压保护方面是通过TVS来实现的。由于USB Type-C正反插无方向的结构,其具有上下两组对称的接口,每组包括两组10Gbps高速数据收发通道(SSRX+/SSRX -,SSTX+/SSTX -)、一组兼容以前USB标准的480Mbps数据通道(D+/D-)和一组进行USB-PD协议通信的专用通道(CC+/-),所以需要保护的通道数量也较以往的USB接口更多,这就需要TVS阵列出场了。为此电路保护元器件厂商推出了小型化、高集成的方案。比如Bourns的方案, 利用两个6通道TVS阵CDDFN10-0516P列和一个4 通道TVS阵列CDDFN10-0524P,只需三颗器件就完成了USB Type-C的过压保护。



为了帮助工程师正确理解电路保护设计及器件选择,合理应用电路保护器件设计高效的电路保护解决方案,本文将主要介绍:

第一部分介绍常用过流、过压、过温保护电路之选型技巧;
第二部分重点分析USB Type-C、保险丝、瞬态电压抑制器、ESD保护器件、防雷保护器件等的实际应用方案;

首先,作为专业级的电子工程师就必须要注意做好以下几点设计考虑了。

一、常用过流、过压、过温保护电路之选型技巧

事实上,电路保护主要有三种形式:过压保护、过流保护和过温保护。

选择适当的电路保护器件是实现高效、可靠的电路保护设计之关键的第一步,那么,如何合理选择电路保护器件?不同的保护器件其保护原理也各有不同,选择的时候应结合其保护原理、工作条件和使用环境来考虑。

将介绍常用的几种过压、过流和过温保护器件之选型技巧,帮助工程师正确选择电路保护器件。

1.过压保护器件的选型要点

过压保护器件(OVP)用于保护后续电路免受甩负载或瞬间高压的破坏,常用的过压保护器件有压敏电阻、瞬态电压抑制器、静电抑制器和放电管等。过压保护器件选型应注意以下四个要点:

1)关断电压Vrwm的选择。一般关断电压至少要比线路最高工作电压高10%

2)箝位电压VC的选择。VC是指在ESD冲击状态时通过TVS的电压,它必须小于被保护电路的能承受的最大瞬态电压

3)浪涌功率Pppm的选择。不同功率,保护的时间不同,如600w(10/1000us);300W(8/20us)

4)极间电容的选择。被保护元器件的工作频率越高,要求TVS的电容要越小

1.1 ESD抑制器

选择合适的ESD保护器件,最大的难点在于如何最容易地明确哪种器件可以提供最大的保护。系统供应商一般是通过数据手册上的ESD额定值(或标称值)来比较ESD保护器件的好坏。事实上,从这些额定值根本看不出器件保护系统的能力有多强,关键取决于其二极管参数。主要的参考系数应该是:
快速响应时间
低箝位电压
高电流浪涌承受能力

选择ESD器件应该遵循下面的要求:
(1)选择静电保护器件注意:
• 箝制电压不要超过受保护器件的最大承受电压
• 电路电压不超过保护器件工作电压
• 低电容值、漏电流尽可能的减少干扰及损耗
(2)静电保护器件尽量安装在最接近静电输入的地方,远离被保护器件
(3)静电保护器件一定接的大地线,不是数字地线
(4)回地的线路尽量的短,静电保护器件与被保护线路之间的距离尽量的短
(5)尽量避免被保护与未被保护线路并排走线

1.2压敏电阻

压敏电阻选用时应注意的是:连续施加在压敏电阻两端的电源电压,不能超过规格表中列出的¡°最大持续工作电压¡±值。还要充分考虑到电网(或电路)工作电压的波动幅度, 选取压敏电阻的压敏电压值时,要留有足够的余量。国内一般的波动幅度为30%。通过压敏电阻的最大浪涌电流不应超过技术规格书中的¡°最大冲击电流¡±值 (也就是最大通流量)。考虑到要耐受多次冲击时,应该选用能耐受10次以上冲击的浪涌电流值。 压敏电阻的箝位电压必须小于被保护的部件或设备能承受的最大电压(即安全电压)。

1.3 瞬态电压抑制器TVS

瞬态电压抑制器(TVS)是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-12秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。

TVS管的选用应注意以下几点:
确定被保护电路的最大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端”容限。
TVS额定反向关断VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM太低,器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。串行连接分电压,并行连接分电流。
TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。
在规定的脉冲持续时间内,TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。
对于数据接口电路的保护,还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。
根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。

温度考虑。瞬态电压抑制器可以在-55~+150℃之间工作。

1.4 陶瓷气体放电管

陶瓷气体放电管属于开关组件,用于电源防雷器共模电路中将雷电流泄放入地,也可用在差模电路中与压敏电阻串联而阻断其漏电流。在信号防雷器中常用于第一级泄放浪涌电流,由于其反应速度慢,还要用第二级作限压保护。

在选择陶瓷气体放电管时应注意:
陶瓷气体放电管不能直接用在电源上做差模保护;
击穿电压要大于线路上最大信号电频电压;
耐电流不能小于线路上可能出现的最大异常电流;
还有脉冲击穿电压须小于被保护线路电压。

2.过流保护器件的选型

过流保护器件主要有一次性熔断器、自恢复熔断器、熔断电阻和断路器等,其中,最重要的过流保护器件是熔断器,也叫保险丝。它一般串联在电路中,要求其电阻要小(功耗小),当电路正常工作时,它只相当于一根导线,能够长时间稳定的导通电路;由于电源或外部干扰而发生电流波动时,也应能承受一定范围的过载;只有当电路中出现较大的过载电流(故障或短路)时,熔断器才会动作,通过断开电流来保护电路的安全,以避免产品烧毁的危险。

在熔断器分断电路的过程中,由于电路电压的存在,在熔体断开的瞬间会发生电弧,高质量的熔断器应该尽量避免这种飞弧;在分断电路后,熔断器应能耐受加在两端的电路电压。熔断器受脉冲损伤会逐步降低承受脉冲的能力,选用时需要考虑必要的安全余量;这个安全余量是指熔断器的总熔断(动作)时间,它是预飞弧时间和飞弧时间之和。所以在选择的时候需要留意它的熔断特性和额定电流这个基本条件;另外安装时要考虑熔断器周边的环境,熔断器只有达到本身的熔化热能值的时候才会熔断,如果是在环境较冷的状况下,它的熔断时间会变化,这是使用时必须留意的。

总的来说,保险丝的选型应注意以下十个要素:
额定电流;
额定电压;
环境温度;
电压降 / 冷电阻;
熔断特性: 过载能力,时间 / 电流特性;
分断能力;
熔化热能值;
耐久性(寿命);
结构特征: 外形 / 尺寸,安装形式;
安全认证
结合以上的十个保险丝选用注意要素,保险丝的选用可根据下图所示的流程来进行。

3.过温保护器件的选型

过温保护器件主要有热敏电阻、温度开关和温度熔断器等。在电源设计中经常使用NTC热敏电阻型浪涌抑制器作过温保护,因为其抑制浪涌电流的能力与普通电阻相当,但在电阻上的功耗则可降低几十到上百倍。

NTC热敏电阻,即负温度系数热敏电阻,其特性是电阻值随着温度的升高而呈非线性的下降。NTC热敏电阻的选型要考虑以下几个要点:

1)最大额定电压和滤波电容值

滤波电容的大小决定了应该选用多大尺寸的NTC。对于某个尺寸的NTC热敏电阻来说,允许接入的滤波电容的大小是有严格要求的,这个值也与最大额定电压有关。在电源应用中,开机浪涌是因为电容充电产生的,因此通常用给定电压值下的允许接入的电容量来评估NTC热敏电阻承受浪涌电流的能力。简单来说,就是输入电压越大,允许接入的最大电容值就越小,反之亦然。NTC热敏电阻产品的规范一般定义了在220Vac下允许接入的最大电容值。

2)产品允许的最大启动电流值和长期加载在NTC热敏电阻上的工作电流

电子产品允许的最大启动电流值决定了NTC热敏电阻的阻值。产品正常工作时,长期加载在NTC热敏电阻上的电流应不大于规格书规定的电流。

在USB Type-C过温保护方面,一些创新性的产品和方案也正在逐渐进入人们的视野。Bourns公司在Type-C过温保护方面提出的两种解决方案都颇具竞争优势:一种是采用mini-Breaker 控温器件,它是一个可恢复器件,在温度异常(过高)时触发,而在电源被切断或温度回到安全水平时自恢复;另一种采用P-TCO的方案,P-TCO是温度触发的可恢复保险丝,与mini-Breaker相比体积更小,且在成本上也更有竞争力。这两种方案各具特色,可为不同应用需求的开发者提供更多差异化的空间。
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