便携式电子产品电路保护

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1、技术追踪 本文由 泰科电子瓒倪电路保护产昌舒 赞助 便携式电子产品的电路保护 电路保护是设计的重要工作 在电子产品中最重要的设计工作是 电路设计。电路可分为两类：功能电路 和保护 电路 。 功能 电路 ( 如电源电路 、 振 荡器电路 、 A D变换电路等) 是用来实 现 电 子产 品 各种 功能 的 ；而 保护 电路 ( 过流保护 电路 、过压保护 电路 及过流 、 过 压保护 电路 )是 用来保 护功能 电路 ， 以实现电子产品的安全性，可靠性及耐 用性的 。 近年来 ， 便携 式电子产 品发展迅速 ， 如 MP 3 、MP 4 、P MP 、D VD、数码相机 及摄像机 ， 笔记本电脑、

2、 上网本 ( 一种小 型笔记本电脑) 和智能手机等。 这些便携 式电子产品的主要特点是功能 多、电路 复杂、 工作频率高、 频带宽、 信号传输率 高， 并且体积小( 全部采用s MD元器件) ， 这 对电路 保护提 出了更高 的设计 要求 。 在手机、笔记本电脑一类便携式电子产 。 “ _一l 。 t 一 Il t电口 、 图 1手机中需要保护的部件 品中， 由于其工作频率高、 频带宽、 要求 高数据传输速率，电路保护设计的优劣 就不仅涉及电子产品的安全性、可靠性 和 耐用性 ，同时也涉及到 电子产 品的性 能质量及成本。 所以， 电路保护是电子产 品设 计的重要 工作。 电路保护的重要性 现

3、在的便携式电子产品中，电路保 护的范围极宽，数量也多。这里举两个 典型便携式 电子 产品来说明 电路保护的 重要性 。 1 手机 手机的发展从单 一的通话到能实现 听音乐、拍照、上网、看电视、G P S等 功能的智能手机 ，电路愈加复杂，而相 应的保护 电路范 围也 不断扩展 。图 l 是 手机中需要保护的各个部位。 2笔记本 电脑 笔记本电脑已成为一种时尚的便携 式 电子 产品 ， 最近 开发 出的 “ 上 网本 ” 更 受到年轻人的青睐。笔记本电脑比手机 更复杂 ，其需要保护的部件范围更广 ( 见图2 ) 。 这里要说 明的是 ，图 l 及 图 2中的 便携式电子产品还不是最新的产品，但

4、也能看出来电路保护的范围之广及数量 善 o El ec t r oni c s 北京航空航天大学 方佩敏 之多，可见保护电路在这些产品中的重 要性 。 uo “= D1t 图 2笔记本电脑中需要保护的部件 一 正是这些保护元 器件才实现 了电子 产品的安全性、可靠性和耐用性 ，并且 减 少 了用户的维修次数 、维修费用及设 有 手 机及 笔记 本 电 脑对 工 作带 来的 影 响 。 保护元器件的种类及工作原理 保护 元器件 分为三 类 ：过流 保护 、 过 压保护及过流 、过 压保护。它们的基 本工作原理如下。 l 过 流保护 过流保护元件是一种非线性正温度 系数热敏电阻 ( P P TC)

5、 ， 如图3 所示。 一 旦有过流状态出现，过大的电流让保护 元件发热使阻值发生变化，由低阻态跃 o o e _ 蓍 墓 一 技 术 追 踪 变为高阻态，从而限制电流，使被保护 的电路免受过流损坏；在过流故障排除 后，保护元件冷却，自动由高阻态转变 为低阻态，恢复正常工作。这种保护元 件称为自复式过流保护元件，如泰科电 子公 司的 P 0 l y S wi t c h T M 元件 。 P o1 vS -i t ch 图3 P o I y s w i t c h 元件工作电路 2过 压保护 过压保护元器件并联在被保护的电 路上 ( 见图4 ) 。 在输入 电压未过压时 ， 过 压保护元器件呈高

6、阻态，其泄漏电流甚 微 ；一旦输入 电压过压 时 ，过压保护 元 器件在瞬 间提 供低阻抗通路 ，并将 电压 钳位于安 全的低电压 ，从而保护 电路 免 受过压损 害。当输 入 电压降落到正 常工 作 电压时 ，过压保 护元器件会 自动恢 复 到高 阻态 。泰科 电子公司的 多层压敏 电 阻 ( ML V)及 E S D保 护元件 P E S D就是 常用的过压保 护元件。 图4过压保护元件工作电路 3 过流、过压保护 过流 、过 压保护器件是过流保护元 件与过压保护元件组成的模块 ( 集成电 图 5 过流 、过压保护器件 工作电路 曩 oo。 路) ， 如图5 所示。它能在输入电压过压 或由

7、于短路造成过流故障时 ，保护电路 不受损害 。 泰科电子公司的P o l y Z e n 元件就 是常用的过流、过压保护器件。 便携式产品的保护 元器件的特点 为满 足便携式 电子产品对保护元 器 件的要求 ，保护元器件应具有下述特 点。 l性能 响 应时间要短 t 自身的功耗要小，可延长电池寿 命 ； 性能稳定，并且寿命长 ； 不影响被保护电路的性能； 满足对环境的要求 ( 无铅，符合 Ro Hs 规范) 。 2封装及 尺寸 贴 片式 ( S MD) 封装 ， 满足 S MT 要求 ； 封装尺寸小 ( 占P CB面积小) 及 剖面 高度小。 3其他 可 以采 用回流焊焊接工 艺 ； 价格低

8、，降低产品成本 。 P o I y s w i t c h 元件及其应用电路 P o l y s wi t c h T M 元件是一种 自复式聚 合物非线性正温度系数 ( P P TC) 热敏电 阻。泰科电子公司在 l 9 9 5 年就开发了贴 片式mi n i s MD 过流保护元件 ， 近年来 又开发出 mi c r o S MD T M 、n a n 0 S MD 及 p i c o S MD 等尺寸更小的系列。 另外， 在 mi n i s MD 系列中增加了2 4 V、6 0 V的 新品种及在mi c r o S MD 系列中增加了 2 O A的品种。 P o l y S wi t

9、c h T M 元件的主要参数：在 未过流时， 其电阻值很小( 不同的额定电 压下阻值不 同，一般为零点几Q到几 Q) ； 在过流发生时， 其电阻值可达mQ， 电流 极 小 接 近“ 断 开 ” ，且 断 开时 间 ( t i me t o t r i p )更短。 该元件的封装尺寸小， 电流为O O 5 3 A；电压为66 0 V； 常态时阻值小； 通 过 UL 、C S A及 T UV论证。 该元件应用范围极广，主要为计算 机、 便携式电子产品、多媒体 、 游戏机、 移动 电话 ，同时也适 用于汽车 、工业 控 制及 电池 等。 P o l y S wi t c h 元件在便携式电子产 品

10、适配器 ( 外接电源) 中的过流保护如图 6 所示。 图中结构用 了两个P o l y S wi t c h 器件 ，可防止短路时损坏适配器。 n 鼍 技术追踪 ML V、P E s D及其应用电路 ML v、 P E s D都是过压保护元器， 它 们除 用过压保 护外 ，也是静 电放 电 ( E S D) 保护元件 。 在插拔便携式产 品的 各种插头时 ，各端口很容易受到静电放 电的损坏 ，因此插拔端 口都需要加E S D 保护元器件。 在传输信号的端口上增加E s D保护 元器可以防止静电放电的损害，但由于 E S D保护元 器 自身有一定的 电容 ，在高 速信号传输过程中，会造成信号的衰

11、减 及失真。所以，高速数据传输端 口的 E S D保护元器件的正确选择十分重要。 ML V的 电容量较 大 ( 4 0 2 2 0 p F) ， 主要用于直流及数据传输率较低的端 口。但ML V中的 “ E ”系列 ，其电容量 较小 ，仅 3 1 2 p F，可 以适 用于较高的 数据传输速率的端 口作E S D保护。 表 l P E S D的 电气特性 P E S D是专门为高数据传输率端口 作E S D保护所开发的保护元件。由于它 的电容量极低 ( 0 2 5 p F) ，所以能满足 I E E El 3 9 4 及HD MI 1 3 的要求， 在高速 数据传输时满足了信号传输质量。因此

12、在高清电视、L C D等离子电视、笔记本 电脑和手机等产品中都采用 PESD作 E S D保护元件 。 E s D的主要特性 ：泄露电流要小， 响应时间要短 ( 1 n s ) ， 相位电压要低， 电容量要小 。 P E S D有俩种型号 ：PE S D0 6 0 3 2 4 0及 P E S D0 4 0 2 一l 4 0 ，其电气特性如 时间 图8 P E s D的抑制特性曲线 连续最 大 I 典型触发 典 型相位 典 型电容 典型漏 作 电压 ( V) 电压 ( V) 电压 ( V) 值 ( p F) 电流 ( A) 符号 VD c VT f T L P 1 Vc (T L P ) C

13、。 I L (T Y P 1 PESDO 60 3 2 4 0 2 4 2l 5 4 5 O 2 5 0 O1 PESDO 40 2 一 l 4 O l 4 2 5 O 4 0 O 2 5 0 0 1 表2不同工作频 率下的Es D保护 元件电容量 工作频率 极 间电容 工作频率 极问 电容 l GHz 7 0O M Hz 3 pF 7 O O 8 O0 kHz 5 0 7 5 pF 7 0 O 5 0 0 M Hz 3 5 pF 8 O O 5 O O kH z 7 5 l O O pF 5 0 0 1 5 O M Hz 5 l O pF 5 O 0 2 O OkH z 1 O 0 l 5

14、O pF l 5 03 0 M Hz l O1 5 pF 2 0 O1 O 0 kHz l 5 O2 O 0 pF 3 0 1 0 M H z 1 5 25 pF 1 0 O 5 0kHz 2O 0 4 0 0 pF 1 O1 M Hz 2 55 O pF 5 O l 0 kHz 40 08 0 O pF 表 3常用 ES D保护元件 器件类 型 电容量 动 作电压 封装尺寸 成本 T VS 中 最低 S OD 9 2 3 低 尺寸小于 O 4 0 2 ML V 大 较低 O 4 O 2 低 P E S D 小 低 O 4 O 2 中 集成的 ( T VS +E MI ) 中 最低 倒装片 高

15、 一 表 l 所示，其抑制特性曲线如图8 所示。 E S D元件最重要的参数是电容量。 一般ML V的电容量是4 0 2 2 O p F， E系 列 的电容量是 3 l 2 p F；而 P E S D的 电 容量 仅为 0 2 5 p F。 不同工作频率及要求E S D保护元件 的 电容量关系如表 2 所示 。常用的 E S D 保护元件比较如表 3 所示。 采用硅 E S D保护元件在 2 2 5 GHz 时 的眼图如图 9所示 ，而采用 P E S D元 件 在 3 4 G Hz 时 的眼图如图 1 O 所示 ， 这 两图的比较说 明了 P E S D的优 良性能 。 图 l 1 是一种典型的显示端 口保护 图9 2 2 5 G H z 下的E s D保护元件限图 图 1 0 3 4 G H z 下的 P E s D眼 图 图 1 1显示端口保护电路 目 一 技 术 追 踪 电路。2 7 GHz的高频信号线采用 8 个 P E S D保护 元件 ，辅 助通 道工作频率为 l MHz ，采用 5 个 ML V保护元件 ；在低 元件作过流保护。这样的设计既满足电 路能耗要求，并且降低了成本。 图 1 2及图 l 3分别是 US B 2 0 接 口 压直流电源中则