電路保護(hù)技術(shù)的未來

相信很多人都有這樣一個(gè)感覺：現(xiàn)在的U盤比前幾年的產(chǎn)品要“結(jié)實(shí)"多了，即使頻繁熱插拔也不太容易“燒"壞,。這也意味著,，我們存儲(chǔ)在U盤里的“數(shù)據(jù)"比以往更加安全。深究起來,，這個(gè)功勞應(yīng)該記在那些隱藏在U盤里的電路保護(hù)器件上,。

為什么這么說呢？在現(xiàn)實(shí)世界中,，任何接觸過靜電敏感元件的人都知道,，浪涌產(chǎn)生的電壓尖峰會(huì)損壞穩(wěn)壓器，人體產(chǎn)生的靜電沖擊會(huì)在沒有任何預(yù)兆的情況下“殺死"電子設(shè)備中的微控制器,、存儲(chǔ)器等元件,。使用環(huán)境中存在的各種不可預(yù)測(cè)性揭示了一個(gè)道理：電路保護(hù)在需要可靠性的設(shè)計(jì)中是**必要的。這就為電路保護(hù)技術(shù)帶來了巨大的市場(chǎng)需求,。

根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)Global Information的預(yù)測(cè),，2020年全球電路保護(hù)市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)為463億美元，到2027年將達(dá)到641億美元,。2020年至2027年期間,，全球電路保護(hù)整體市場(chǎng)的年復(fù)合增長率（CAGR）約為4.7%。其中,，過流保護(hù)市場(chǎng)將以3.7%的增長率在2027年達(dá)到269億美元,。而中國的市場(chǎng)發(fā)展更是明顯好于平均值，預(yù)計(jì)CAGR將達(dá)到7.1%,，到2027年市場(chǎng)規(guī)模約為129億美元,。

典型的電路保護(hù)方法及關(guān)鍵器件

市場(chǎng)上的電路保護(hù)方法很多,，根據(jù)電路保護(hù)類型劃分,，目前*主要的是過流、過壓保護(hù)這兩種,。

過流保護(hù)器件包括保險(xiǎn)絲（其中包括多個(gè)子集,，如自恢復(fù)保險(xiǎn)絲）、PTC熱敏電阻和NTC熱敏電阻,。從本質(zhì)上說,，保險(xiǎn)絲只是用于過電流保護(hù)，沒有其他用途,。它有很多子集,，其中心技術(shù)理念是：過電流產(chǎn)生的熱量通過改變金屬線的分子結(jié)構(gòu)，*終將電路與系統(tǒng)分離,。PTC熱敏電阻雖然主要用于電路保護(hù),，然而有時(shí)也會(huì)用作其他用途,，比如作為加熱器元件使用。NTC熱敏電阻的*主要用途是溫度傳感器,，另有一部分需求是用于浪涌電流限制,，主要用在電機(jī)和數(shù)字電子設(shè)備中。

常見的過壓保護(hù)器件有陶瓷氣體放電管,、半導(dǎo)體放電管,、金屬氧化物變阻器、壓敏電阻,、齊納二極管,、瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管、晶閘管等,。

聚合物ESD保護(hù)也是一種重要的過壓保護(hù)器件,，它主要依靠聚合物ESD抑制器來實(shí)現(xiàn)。這種器件的工作原理是通過使用摻雜聚合物的復(fù)合材料抑制快速上升的ESD瞬變,，且?guī)缀醪辉黾与娐冯娙荨?/span>

接下來,，我們?cè)倥e例介紹幾款常用的電路保護(hù)器件。

齊納二極管

工作原理與普通二極管基本一致,。不同之處在于,，當(dāng)與可變電壓源并聯(lián)以使其反向偏置時(shí)，齊納二極管在電壓達(dá)到二極管反向擊穿電壓時(shí)導(dǎo)通,，并將電壓保持在該值,。齊納二極管**了一個(gè)廣闊的電路保護(hù)元件單位市場(chǎng)，因其平均單件單價(jià)較低,，順利地PK掉了片式壓敏電阻器,，成為防止電子系統(tǒng)中靜電放電影響的低成本解決方案。VishayeSMP SMF BZD27齊納二極管采用薄型,、表面貼裝封裝,，可吸收浪涌電流。它的漏電流很低,，具有出色的穩(wěn)定性,。此外，該產(chǎn)品系列還達(dá)到MSL 1級(jí)要求,，符合J-STD-020標(biāo)準(zhǔn),，LF大峰值為260°C，并通過了JESD 201 2類測(cè)試,，符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn),，非常適合用于汽車應(yīng)用。

瞬態(tài)電壓抑制器

簡稱TVS二極管,，專門針對(duì)大電壓波動(dòng),，用于保護(hù)單個(gè)電路連接以及用作反電動(dòng)勢(shì)保護(hù),。Diodes Incorporated的SMAJ33A-13-F，大峰值脈沖耗散功率為400W,，能夠傳導(dǎo)高達(dá)40A的峰值電流,，并且響應(yīng)迅速。Vishay的5KP100A-E3/54,，大峰值脈沖耗散功率達(dá)到5000W,，通過對(duì)電路進(jìn)行足夠長的保護(hù)，使主保險(xiǎn)絲/斷路器能夠斷開電源,，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù),。

二極管矩陣

單個(gè)二極管固然可以起到電路保護(hù)的作用，但對(duì)尺寸敏感的應(yīng)用而言,，二極管矩陣是更好的選擇,。二極管矩陣將多個(gè)二極管合并到一個(gè)封裝中，可用于多種用途,，比如用于保護(hù)USB連接器的引腳（D+和D-）免受外部ESD的破壞,。Texas Instruments（TI）的TPD4E001ESD保護(hù)陣列是一款基于四通道瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）的靜電放電（ESD）保護(hù)二極管陣列，其額定ESD沖擊消散值為IEC 61000-4-2（4級(jí)）國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的高水平,。TPD4E001陣列的每通道具有1.5pF IO電容,，因此非常適合用于高速數(shù)據(jù)IO接口中。

自恢復(fù)保險(xiǎn)絲

普通保險(xiǎn)絲一旦熔斷,，就需要更換,。與普通保險(xiǎn)絲不同，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲通常為PTC型,，是一種可自動(dòng)恢復(fù)的過流電子保護(hù)元件,。它采用高分子有機(jī)聚合物，在高壓,、高溫,、硫化反應(yīng)的條件下，摻加導(dǎo)電粒子材料后,，再經(jīng)過特殊工藝加工而成,。當(dāng)線路發(fā)生短路或過載時(shí),，流經(jīng)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的大電流產(chǎn)生的熱量會(huì)使聚合樹脂融化,，體積迅速增長并形成高阻狀態(tài)，工作電流迅速減小,，從而對(duì)電路進(jìn)行限制和保護(hù),。當(dāng)故障排除后，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲重新冷卻結(jié)晶,，體積收縮,，恢復(fù)為低阻狀態(tài),。市場(chǎng)上商用的PTC保險(xiǎn)絲產(chǎn)品很豐富，比如Littelfuse的ASMDC075F就是一種車規(guī)級(jí)的表面貼裝自恢復(fù)保險(xiǎn)絲,，具有較寬的電壓和電流額定值,。

汽車設(shè)計(jì)中的電路保護(hù)方案

隨著自動(dòng)駕駛汽車、電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的持續(xù)增長,，曾經(jīng)以機(jī)械系統(tǒng)為主的汽車現(xiàn)在充滿了電子設(shè)備,，汽車電路保護(hù)的需求急劇增加。在汽車電子中,，瞬態(tài)浪涌會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng),、CAN/LAN等通信總線、閥門,、電機(jī),、水解控制器等。因此,，汽車設(shè)計(jì)師必須實(shí)施針對(duì)ESD,、浪涌、電涌和其他威脅的保護(hù)機(jī)制,。

為汽車環(huán)境設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品非常具有挑戰(zhàn)性,。

首先：必須預(yù)見到大范圍的溫度波動(dòng)。大多數(shù)應(yīng)用要求工作溫度范圍為-40℃至+85℃,。

其次：濕度范圍大,。從沙漠到沼澤，還有海邊的鹽霧,，這些因素都必須予以充分考慮,。

第三：沖擊和振動(dòng)的影響。

1 ESD防護(hù)

汽車的ESD有幾種來源,，比如乘客在車內(nèi)的動(dòng)作可能會(huì)產(chǎn)生電荷,，將個(gè)人電子設(shè)備插入到汽車音響系統(tǒng)也可能引來ESD，汽車天線有時(shí)也會(huì)成為ESD的來源,。尤其是在干燥季節(jié),，ESD防不勝防。

多層變阻器（MLV）是典型的ESD保護(hù)器件,。以Littelfuse的MLA系列為**的產(chǎn)品,，在汽車中有著廣應(yīng)用。MLA系列的電容值為數(shù)百pF,，這一點(diǎn)可能不太適合高速數(shù)據(jù)總線,。Bourns的CG0402MLU系列大電容值*為0.05pF，更符合高速數(shù)據(jù)總線的防護(hù)要求,。

2 電涌保護(hù)

負(fù)載突降（load dump）電涌是汽車應(yīng)用中有的,。負(fù)載突降脈沖是汽車12V電源母線上的瞬時(shí)電壓峰值,，由交流發(fā)電機(jī)輸出電壓的緩慢調(diào)節(jié)引起。突然卸下電源母線上的大負(fù)載（如蓄電池?cái)嚅_,、電源保險(xiǎn)絲熔斷等）將導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)輸出突然跳至60V或更高,。

電涌保護(hù)器件可防止汽車電線上的多余電壓脈沖損壞較敏感的汽車子系統(tǒng)，例如安全系統(tǒng),、控制模塊和車用信息娛樂系統(tǒng),。解決方案包括金屬氧化物變阻器（MOV）或TVS二極管；作為過壓保護(hù),，還包括用于限制浪涌電流的固定電阻器或PTC電阻器等（見圖3）,。

以Littelfuse的MLA Automotive系列變阻器為例，該變阻器可在廣的電壓和溫度范圍內(nèi)抑制瞬態(tài)事件,，應(yīng)用范圍包括車輛電源,、控制和信號(hào)線。該產(chǎn)品符合IEC 61000-4-2電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn),。

TVS二極管能吸收超過IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大水平的重復(fù)ESD沖擊,，而不會(huì)降低性能。根據(jù)IEC61000-4-5浪涌抗擾度標(biāo)準(zhǔn),，它們可以在極低的箝位電壓下安全地耗散浪涌電流,。

TVS二極管通過提供二次保護(hù)，防止負(fù)載突降和其他瞬態(tài)電壓事件引起的沖擊,，從而保護(hù)汽車電子設(shè)備,。這使得汽車設(shè)計(jì)師能夠節(jié)省大量的成本，并減少與部件更換相關(guān)的問題,。Bourns專門為浪涌和ESD保護(hù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的TVS二極管SMxJ-Q系列,，峰值反向電壓范圍從12V到58V，快速響應(yīng)時(shí)間小于1ps（從0V到擊穿電壓）,。

3 短路和電源故障

工廠安裝的保險(xiǎn)絲和斷路器基本能夠處理汽車配電線路中的短路,。但是，控制器及其負(fù)載之間的接線也可能發(fā)生短路和其他故障,，比如車窗除霜器,、門鎖、輔助照明,、行李艙,、音響系統(tǒng)等，因關(guān)鍵接頭處的腐蝕和導(dǎo)線接地不良,，都可能會(huì)發(fā)生短路,。

一次性保險(xiǎn)絲可用于在故障條件下將電路斷開,，防止進(jìn)一步損壞周邊電子器件或發(fā)生火災(zāi),。其缺點(diǎn)是,，一旦保險(xiǎn)絲工作，電路將無法再工作,，必須修理或更換,。PTC器件屬于自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，正常工作電流下,，PTC的電阻值較低,。當(dāng)存在故障電流時(shí)，PTC裝置會(huì)升溫,，增加其電阻并抑制故障電流,。當(dāng)電源或故障被排除，PTC逐漸冷卻并恢復(fù)到低阻狀態(tài),。

需要注意的是,，為避免干擾引起的誤操作，PTC的溫度范圍要選好,。BournsMF-RHT系列PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的高工作溫度達(dá)到125℃,，遠(yuǎn)高于常規(guī)PTC的高工作溫度85℃。此外還應(yīng)注意,，在非常低的環(huán)境溫度下,，PTC可能需要很長時(shí)間才能跳閘。

4 保護(hù)ADAS子系統(tǒng)

圖5展示了ADAS通信和控制子系統(tǒng)的主要功能塊,，包括應(yīng)采用的保護(hù)器件,。對(duì)于高速差分以太網(wǎng)接口，可采用ESD和瞬態(tài)浪涌保護(hù)方法,，包括使用聚合物ESD抑制器,，如符合AEC-Q200規(guī)范的Littelfuse AXGD Xtreme Guard系列

對(duì)于CAN收發(fā)器接口，可參考使用二極管陣列來防止快速瞬變和ESD,，比如Littelfuse AQ24CANA系列,。Bourns的SMxJ-Q系列也是專門為浪涌和ESD保護(hù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的TVS二極管，峰值反向電壓范圍從12V到58V,。

其中,，SMAJ-Q系列的大峰值脈沖耗散功率為400W，可承受40A的峰值正向浪涌電流,，而SMBJ-Q二極管的峰值耗散功率為600W,，可承受100A的峰值正向浪涌電流。SMLJ-Q系列提供3000W的峰值脈沖耗散功率,，可承受300A的峰值正向浪涌電流,。

智能門鎖的電路保護(hù)方案

智能門鎖市場(chǎng)是一個(gè)高增長市場(chǎng)。根據(jù)Grandview Research的預(yù)測(cè)，該市場(chǎng)的復(fù)合年增長率（CAGR）預(yù)計(jì)將達(dá)到25%,，單位增長將從2019年的約700萬套將擴(kuò)大到2024年的約2300萬套,。其中，住宅市場(chǎng)將占增長的大部分,，約為70%,。

智能鎖包括用于手動(dòng)訪問的鍵盤、用于通過智能手機(jī)軟件應(yīng)用程序訪問的無線協(xié)議鏈路,、用于監(jiān)控門把手位置的傳感器,、用于鎖定或解鎖大門的執(zhí)行器以及對(duì)非正常開鎖行為的檢測(cè)。ESD是智能鎖電子設(shè)備的主要危險(xiǎn)之一,，用戶界面和無線界面都容易受到用戶ESD的影響,。

本文小結(jié)

消費(fèi)者對(duì)電子產(chǎn)品質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)不斷提高，同時(shí)全球電子行業(yè)不斷發(fā)展,，這些都對(duì)全球電路保護(hù)市場(chǎng)起了推動(dòng)的作用,。汽車及消費(fèi)電子行業(yè)的增長將對(duì)電路保護(hù)市場(chǎng)產(chǎn)生巨大影響。更緊湊的表面貼裝設(shè)計(jì)使得集成電路（IC）更容易受到電路中電涌的影響,，因而電路保護(hù)是一個(gè)不可少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),。本文提到的幾種保護(hù)方案和涉及的產(chǎn)品只是電路保護(hù)市場(chǎng)的滄海一粟，供設(shè)計(jì)人員參考,。