电子产品竟越来越“皮实”？这些电路保护战线的“安全卫士”，来认识一下~
相信很多人都有这样一个感觉：现在的U盘比前几年的产品要“结实”多了，即使频繁热插拔也不太容易“烧”坏。这也意味着，我们存储在U盘里的“数据”比以往更加安全。深究起来，这个功劳应该记在那些隐藏在U盘里的电路保护器件上。
为什么这么说呢？在现实世界中，任何接触过静电敏感元件的人都知道，浪涌产生的电压尖峰会损坏稳压器，人体产生的静电冲击会在没有任何预兆的情况下“杀死”电子设备中的微控制器、存储器等元件。使用环境中存在的各种不可预测性揭示了一个道理：电路保护在需要可靠性的设计中是绝对必要的。这就为电路保护技术带来了巨大的市场需求。
根据咨询机构Global Information的预测，2020年全球电路保护市场规模估计为463亿美元，到2027年将达到641亿美元。2020年至2027年期间，全球电路保护整体市场的年复合增长率（CAGR）约为4.7%。其中，过流保护市场将以3.7%的增长率在2027年达到269亿美元。而中国的市场发展更是明显好于平均值，预计CAGR将达到7.1%，到2027年市场规模约为129亿美元。
典型的电路保护方法及关键器件
市场上的电路保护方法很多，根据电路保护类型划分，目前最主要的是过流、过压保护这两种。过流保护器件包括保险丝（其中包括多个子集，如自恢复保险丝）、PTC热敏电阻和NTC热敏电阻。从本质上说，保险丝只是用于过电流保护，没有其他用途。它有很多子集，其核心技术理念是：过电流产生的热量通过改变金属线的分子结构，最终将电路与系统分离。PTC热敏电阻虽然主要用于电路保护，然而有时也会用作其他用途，比如作为加热器元件使用。NTC热敏电阻的最主要用途是温度传感器，另有一部分需求是用于浪涌电流限制，主要用在电机和数字电子设备中。常见的过压保护器件有陶瓷气体放电管、半导体放电管、金属氧化物变阻器、压敏电阻、齐纳二极管、瞬态电压抑制（TVS）二极管、晶闸管等。聚合物ESD保护也是一种重要的过压保护器件，它主要依靠聚合物ESD抑制器来实现。这种器件的工作原理是通过使用掺杂聚合物的复合材料抑制快速上升的ESD瞬变，且几乎不增加电路电容。
接下来，我们再举例介绍几款常用的电路保护器件。
1 齐纳二极管
工作原理与普通二极管基本一致。不同之处在于，当与可变电压源并联以使其反向偏置时，齐纳二极管在电压达到二极管反向击穿电压时导通，并将电压保持在该值。齐纳二极管代表了一个广阔的电路保护元件单位市场，因其平均单件单价较低，顺利地PK掉了片式压敏电阻器，成为防止电子系统中静电放电影响的低成本解决方案。VishayeSMP SMF BZD27齐纳二极管采用薄型、表面贴装封装，可吸收浪涌电流。它的漏电流很低，具有出色的稳定性。此外，该产品系列还达到MSL 1级要求，符合J-STD-020标准，LF最大峰值为260°C，并通过了JESD 201 2类测试，符合AEC-Q101标准，非常适合用于汽车应用。
图1：Vishay采用eSMP SMF封装的BZD27齐纳二极管（图源：Vishay）
2 瞬态电压抑制器
简称TVS二极管，专门针对大电压波动，用于保护单个电路连接以及用作反电动势保护。Diodes Incorporated的SMAJ33A-13-F，最大峰值脉冲耗散功率为400W，能够传导高达40A的峰值电流，并且响应迅速。Vishay的5KP100A-E3/54，最大峰值脉冲耗散功率达到5000W，通过对电路进行足够长的保护，使主保险丝/断路器能够断开电源，从而实现保护。
3 二极管矩阵
单个二极管固然可以起到电路保护的作用，但对尺寸敏感的应用而言，二极管矩阵是更好的选择。二极管矩阵将多个二极管合并到一个封装中，可用于多种用途，比如用于保护USB连接器的引脚（D+和D-）免受外部ESD的破坏。Texas Instruments（TI）的TPD4E001ESD保护阵列是一款基于四通道瞬态电压抑制器（TVS）的静电放电（ESD）保护二极管阵列，其额定ESD冲击消散值为IEC 61000-4-2（4级）国际标准中规定的最高水平。TPD4E001阵列的每通道具有1.5pF IO电容，因此非常适合用于高速数据IO接口中。
图2：TI TPD4E001 ESD保护阵列应用原理图（图源：贸泽电子）
4 自恢复保险丝
普通保险丝一旦熔断，就需要更换。与普通保险丝不同，自恢复保险丝通常为PTC型，是一种可自动恢复的过流电子保护元件。它采用高分子有机聚合物，在高压、高温、硫化反应的条件下，掺加导电粒子材料后，再经过特殊工艺加工而成。当线路发生短路或过载时，流经自恢复保险丝的大电流产生的热量会使聚合树脂融化，体积迅速增长并形成高阻状态，工作电流迅速减小，从而对电路进行限制和保护。当故障排除后，自恢复保险丝重新冷却结晶，体积收缩，恢复为低阻状态。市场上商用的PTC保险丝产品很丰富，比如Littelfuse的ASMDC075F就是一种车规级的表面贴装自恢复保险丝，具有较宽的电压和电流额定值。
汽车设计中的电路保护方案
随着自动驾驶汽车、电动汽车和混合动力汽车的持续增长，曾经以机械系统为主的汽车现在充满了电子设备，汽车电路保护的需求急剧增加。在汽车电子中，瞬态浪涌会损坏发动机冷却系统、CAN/LAN等通信总线、阀门、电机、水解控制器等。因此，汽车设计师必须实施针对ESD、浪涌、电涌和其他威胁的保护机制。
为汽车环境设计电子产品非常具有挑战性。
首先：必须预见到大范围的温度波动。大多数应用要求工作温度范围为-40℃至+85℃。引擎盖下的应用可能更加极端。
其次：湿度范围大。从沙漠到沼泽，还有海边的盐雾，这些因素都必须予以充分考虑。
第三：冲击和振动的影响。
1 ESD防护
汽车的ESD有几种来源，比如乘客在车内的动作可能会产生电荷，将个人电子设备插入到汽车音响系统也可能引来ESD，汽车天线有时也会成为ESD的来源。尤其是在干燥季节，ESD防不胜防。多层变阻器（MLV）是典型的ESD保护器件。以Littelfuse的MLA系列为代表的产品，在汽车中有着广泛应用。MLA系列的电容值为数百pF，这一点可能不太适合高速数据总线。Bourns的CG0402MLU系列最大电容值仅为0.05pF，更符合高速数据总线的防护要求。
2 电涌保护
负载突降（load dump）电涌是汽车应用中特有的。负载突降脉冲是汽车12V电源母线上的瞬时电压峰值，由交流发电机输出电压的缓慢调节引起。突然卸下电源母线上的大负载（如蓄电池断开、电源保险丝熔断等）将导致交流发电机输出突然跳至60V或更高。电涌保护器件可防止汽车电线上的多余电压脉冲损坏较敏感的汽车子系统，例如安全系统、控制模块和车用信息娱乐系统。解决方案包括金属氧化物变阻器（MOV）或TVS二极管；作为过压保护，还包括用于限制浪涌电流的固定电阻器或PTC电阻器等（见图3）。以Littelfuse的MLA Automotive系列变阻器为例，该变阻器可在广泛的电压和温度范围内抑制瞬态事件，应用范围包括车辆电源、控制和信号线。该产品符合IEC 61000-4-2电磁兼容性（EMC）标准。
图3：汽车电涌保护方案示意图（图源：Littelfuse）
TVS二极管能吸收超过IEC61000-4-2标准规定的最大水平的重复ESD冲击，而不会降低性能。根据IEC61000-4-5浪涌抗扰度标准，它们可以在极低的箝位电压下安全地耗散浪涌电流。TVS二极管通过提供二次保护，防止负载突降和其他瞬态电压事件引起的冲击，从而保护汽车电子设备。这使得汽车设计师能够节省大量的成本，并减少与部件更换相关的问题。Bourns专门为浪涌和ESD保护应用设计的TVS二极管SMxJ-Q系列，峰值反向电压范围从12V到58V，快速响应时间小于1ps（从0V到击穿电压）。
3 短路和电源故障
工厂安装的保险丝和断路器基本能够处理汽车配电线路中的短路。但是，控制器及其负载之间的接线也可能发生短路和其他故障，比如车窗除霜器、门锁、辅助照明、行李舱、音响系统等，因关键接头处的腐蚀和导线接地不良，都可能会发生短路。一次性保险丝可用于在故障条件下将电路断开，防止进一步损坏周边电子器件或发生火灾。其缺点是，一旦保险丝工作，电路将无法再工作，必须修理或更换。PTC器件属于自恢复保险丝，正常工作电流下，PTC的电阻值较低。当存在故障电流时，PTC装置会升温，增加其电阻并抑制故障电流。当电源或故障被排除，PTC逐渐冷却并恢复到低阻状态。
需要注意的是，为避免干扰引起的误操作，PTC的温度范围要选好。BournsMF-RHT系列PTC自恢复保险丝的最高工作温度达到125℃，远高于常规PTC的最高工作温度85℃。此外还应注意，在非常低的环境温度下，PTC可能需要很长时间才能跳闸。
图4：PTC能有效避免因电路短路而损坏其他电子器件（图源：Littelfuse）
4 保护ADAS子系统
图5展示了ADAS通信和控制子系统的主要功能块，包括应采用的保护器件。对于高速差分以太网接口，可采用ESD和瞬态浪涌保护方法，包括使用聚合物ESD抑制器，如符合AEC-Q200规范的Littelfuse AXGD Xtreme Guard系列。
图5：ADAS通信和控制子系统以及对保护装置的需求（图源：Littelfuse）
对于CAN收发器接口，可参考使用二极管阵列来防止快速瞬变和ESD，比如Littelfuse AQ24CANA系列。Bourns的SMxJ-Q系列也是专门为浪涌和ESD保护应用设计的TVS二极管，峰值反向电压范围从12V到58V。其中，SMAJ-Q系列的最大峰值脉冲耗散功率为400W，可承受40A的峰值正向浪涌电流，而SMBJ-Q二极管的峰值耗散功率为600W，可承受100A的峰值正向浪涌电流。SMLJ-Q系列提供3000W的峰值脉冲耗散功率，可承受300A的峰值正向浪涌电流。
智能门锁的电路保护方案
智能门锁市场是一个高增长市场。根据Grandview Research的预测，该市场的复合年增长率（CAGR）预计将达到25%，单位增长将从2019年的约700万套将扩大到2024年的约2300万套。其中，住宅市场将占增长的大部分，约为70%。智能锁包括用于手动访问的键盘、用于通过智能手机软件应用程序访问的无线协议链路、用于监控门把手位置的传感器、用于锁定或解锁大门的执行器以及对非正常开锁行为的检测。ESD是智能锁电子设备的主要危险之一，用户界面和无线界面都容易受到用户ESD的影响。
图6：智能锁框图，其中包括建议使用的保护组件（图源：Littelfuse）
对于ESD保护，设计者可以考虑使用TVS二极管或二极管阵列。TVS二极管是采用硅雪崩技术制造的齐纳二极管，可提供至少±15kV ESD电压的保护水平。
无线接口连接到蜂窝网络或无线LAN（WiFi网络），以便与智能手机或其他联网设备通信。由于它常年暴露在外部环境，无线接口需要具有ESD保护，这里可以使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器的价值在于其响应和吸收ESD瞬态的能力，同时对无线接口输出的特性阻抗的影响可以忽略不计。
本文小结
消费者对电子产品质量和标准的认识不断提高，同时全球电子行业不断发展，这些都对全球电路保护市场起了推动的作用。汽车及消费电子行业的增长将对电路保护市场产生巨大影响。更紧凑的表面贴装设计使得集成电路（IC）更容易受到电路中电涌的影响，因而电路保护是一个必不可少的设计环节。本文提到的几种保护方案和涉及的产品只是电路保护市场的沧海一粟，供设计人员参考。
