把握物联网浪潮下的电路保护机遇

　　引言

　　信息时代的每次革命都使人类的生活发生巨大改变。物联网（The Internet of things）作为新兴的信息变革，已经成为现今整个信息化产业的新宠和发展方向。物联网就是物物相连的互联网，即通过各类物体内带的射频识别（RFID）、传感器、二维码等，经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予“智能”，可实现人与物体的互动，也可以实现物体与物体相互沟通和对话，这种将物体联接起来的网络被称为“物联网”。

　　物联网感知层保护需求

　　物联网本身的结构复杂，主要包括三大部分：首先是感知层，它承担信息的采集，可以应用的技术包括智能卡、RFID电子标签、识别码、传感器等；其次是网络层，承担信息的传输，借用现有的无线网、移动网、固联网、互联网、广电网等即可实现；第三是应用层，实现物与物之间，人与物之间的识别与感知，发挥智能作用。

　　感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题，主要功能是识别物体、采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用类似。它首先通过传感器、摄像头、RFID等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过蓝牙、wifi、3G等技术传递数据到网络。图1是多功能手持终端的框架结构示意图。

图1 多功能手持终端框架结构示意图

　　物联网感知层众多设备已经在警务执法、大型商业企业、连锁专卖店、快销商品销售、医疗护理、工厂流水线、物流、酒店餐饮、会展中心、公共交通等领域得到广泛应用。由于使用的场合条件比较复杂和恶劣，对产品寿命和可靠性要求都很高。在设计上，厂家必须做好完善的电路保护措施，才能最大限度满足用户的可靠性和稳定性需求。

　　从设计的角度来看，设计师必须考虑到各种不同状况的意外的发生，然后在不同的接口上安装保护器件。本文接下来将会以一个多功能手持终端为例，阐述如何使用保护器件。

　　物联网感知层设备电源接口保护

　　稳定的电源是设备正常运行的最基本条件，然而电源接口的使用环境非常复杂，用户可能会遇到以下这几种情况：由于较多的适配器在一起使用，导致一个低电压供电的设备被错误接到了高电压的适配器上，甚至接口极性接反；或者在正常的充电过程中，由于感应雷的原因，造成适配器输出端出现非常高的浪涌电压。诸如此类的事件将会损坏设备的电源管理芯片。

　　对于可能发生的过压和浪涌事件，设计厂家多采用过压保护集成电路或TVS管来实现保护。集成电路的OVP方案虽然可以解决过压问题，但是却没有浪涌防护功能。而TVS管虽然可以实现浪涌防护，但是在处于长时间过压状态时不能进行有效保护。最理想的情况是把长时间过压和浪涌防护结合起来，在一个器件上实现。

　　TE Connectivity公司电路保护部门的PolyZen产品能够同时提供过压、浪涌、过流、过温、ESD静电保护以及防电源反接保护功能，并且能提供比分离的可恢复保险丝（PPTC）和稳压管/TVS管组合电路更高的性能、更多的保护功能以及更小的体积，其可靠性已经在各种手持和车载多媒体设备中得到了验证。

　　当过压故障条件发生时，箝位二极管被击穿后，它的温度将会随着时间的推移不断上升，如果故障没有消除，或者有较长时间的过压故障脉冲加载在电路上，这时选用小功率的TVS器件不能进行有效保护，需要大功率的TVS器件来保护后端电子电路，而大功率的TVS器件意味着更昂贵的价格，以及更大的封装尺寸。TE公司的PolyZen器件中集成的PPTC能够快速有效的进行过流过热保护，在故障发生时，齐纳管温度上升，由于齐纳管和PPTC独特的热耦合特性，齐纳管的温度能够马上传递到PPTC本体，PPTC本身又是一个热敏元件，它可以在很短的时间内动作，成为高阻状态，这样整个电路的电流就被限流，而故障电压会由PPTC和齐纳管来共同承受，齐纳管也就得到了很好的保护。PPTC可以长时间的承受故障电压，使PolyZen可以胜任一个长时间的持续过压过流保护。PolyZen器件的这个独特性能，使得它能够以较小的封装尺寸来承受较大能量的浪涌和长时间过压保护。图2是PolyZen器件原理结构图。图3是PolyZen器件典型输入接口保护电路的电气原理图。

图2. PolyZen器件原理结构图

图3 典型输入端口保护电路中的PolyZen器件

　　物联网感知层设备的ESD保护

　　物联网感知层设备也同样需要静电放电（ESD）保护，下面是需要保护的一些模块或者接口。

　　一、触控面板模组。触控面板是用手指去碰触的，极易受ESD干扰。PCB设计时，SESD可以加在软板导线出现的连接器位置，以有效防护经由连接器产生的ESD静电。另外在终端使用时会有来自触控面板边缘屏蔽层的ESD风险，因此在屏蔽层与接地线之间也应该安装SESD器件，一方面用以避免信号干扰，另一方面可有效箝制电路系统电压。电源线和地之间采用单颗SESD形式，其它端口则采用SESD阵列来保护。

　　二、GPS、RF天线部分。在自然环境中的雷电或是人体及环境中的ESD，都有机会通过RF和GPS天线放电进入到设备中，从而造成天线接收端的电子元件损坏。由于 RF信号对电容值非常敏感，0.3pF以下电容值的SESD元件才适用于天线部分ESD防护。在PCB设计时SESD元件应尽量放到靠近天线的附近，利用其比前端元件较低的箝制电压及耐高突波电流的特性，有效地实现防护。

　　三、按键部分。由于使用者需要直接接触这些实体按键进行操作，而实体按键的间隙经常会出现 ESD现象。设计时SESD元件应尽量放到靠近按键接点附近，利用其比前端按键控制IC元件较低的箝制电压及耐高突变电流的特性，有效地实现防护。

　　四、用户接口部分，如USB接口、SIM卡、TF卡等。用户会经常操作这些接口，每次插拔都会带来ESD问题，所以需要采用必要的ESD防护，USB接口速率很快，所以要求在加SESD保护后必须保持信号完整性，TE公司的低电容SESD器件可以进行USB端口保护。对于SIM卡和TF卡接口，由于信号速率并不高，所以使用普通电容的SESD阵列即可进行防护。

　　针对低电容和超小封装的SESD业界趋势，TE公司提供了一系列的产品供设计工程师选择使用，TE公司实现了最小的电容（0.1pF）和最小封装，表1是TE公司SESD低电容产品。

表1 TE公司SESD低电容产品

　　综述

　　对于物联网感知层设备的电源端口保护以及各个模块或者接口的ESD静电保护，TE公司都有一系列完善的解决方案。关于物联网电路保护解决方案，您可以访问TE的门户网站或与TE电路保护部门联系，获取更为详细的技术支持。

　　本文选自《物联网大会会刊》，转载请注明出处。