正确理解电路保护设计及器件选择资料下载

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。