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。

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　　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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