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详解各种便携式电子产品中的保护电路

详解各种便携式电子产品中的保护电路

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MP3、MP4、PMP、DVD、数码相机及摄像机,笔记本电脑、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SMD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、GPS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1是手机中需要保护的各个部位。

  


  图1 手机中需要保护的部件

  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)。

  


  图2 笔记本电脑中需要保护的部件
  这里要说明的是,图1及图2中的便携式电子产品还不是最新的产品,但也能看出来电路保护的范围之广及数量之多,可见保护电路在这些产品中的重要性。
  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。
  1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(PPTC),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PolySwitchTM元件。

  


  图3 PolySwitchTM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(MLV)及ESD保护元件PESD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(集成电路),如图5所示。它能在输入电压过压或由于短路造成过流故障时,保护电路不受损害。

  


  图5 过流、过压保护器件工作电路

  泰科电子公司的PolyZenTM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。
  1 性能
  ● 响应时间要短;
  ● 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RoHs规范)。
  2 封装及尺寸
  ● 贴片式(SMD)封装,满足SMT要求;
  ● 封装尺寸小(占PCB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,降低产品成本。
  PolySwitchTM元件及其应用电路
  PolySwitchTM元件是一种自复式聚合物非线性正温度系数(PPTC)热敏电阻。泰科电子公司在1995年就开发了贴片式 miniSMDTM过流保护元件,近年来又开发出microSMDTM、nanoSMDTM及picoSMDTM等尺寸更小的系列。另外,在 miniSMDTM系列中增加了24V、60V的新品种及在microSMDTM系列中增加了2.0A的品种。
  PolySwitchTM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Ω到几Ω);在过流发生时,其电阻值可达mΩ,电流极小接近“断开”,且断开时间(time-to-trip)更短。
  该元件的封装尺寸小;电流为0.05~3A;电压为6~60V;常态时阻值小;通过UL、CSA及T哣论证。
  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。

  

  图6 用PolySwitchTM元件实现过流保护

  PolySwitchTM元件在便携式电子产品适配器(外接电源)中的过流保护如图6所示。图中结构用了两个PolySwitchTM器件,可防止短路时损坏适配器。

  


  图7 用PolySwitchTM元件对充电器进行保护

  充电器是便携式电子产品中是必要的附件,图7是充电器中PolySwitchTM元件的应用。图7中的虚线框内是电池组,PolySwitchTM元件在其中作充、放电过流保护。
  MLV、PESD及其应用电路
  MLV、PESD都是过压保护元器,它们除用过压保护外,也是静电放电(ESD)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ESD保护元器件。
  在传输信号的端口上增加ESD保护元器可以防止静电放电的损害,但由于ESD保护元器自身有一定的电容,在高速信号传输过程中,会造成信号的衰减及失真。所以,高速数据传输端口的ESD保护元器件的正确选择十分重要。
  MLV的电容量较大(40~220pF),主要用于直流及数据传输率较低的端口。但MLV中的“E”系列,其电容量较小,仅3~12pF,可以适用于较高的数据传输速率的端口作ESD保护。
  PESD是专门为高数据传输率端口作ESD保护所开发的保护元件。由于它的电容量极低(0.25pF),所以能满足IEEE1394及HDMI1.3的要求,在高速数据传输时满足了信号传输质量。因此在高清电视、LCD等离子电视、笔记本电脑和手机等产品中都采用PESD作ESD保护元件。

  


  图8 PESD的抑制特性曲线

  ESD的主要特性:泄露电流要小,响应时间要短(《1ns),相位电压要低,电容量要小。
  PESD有俩种型号:PESD0603-240及PESD0402-140,其电气特性如表1所示,其抑制特性曲线如图8所示。
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