手机等便携式电子产品的电路保护方案

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。


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）。


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

保护元器件可以分为三类：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

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。

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。

 
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。

 
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。

PolySwitch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。

 
PolySwitch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PolySwitch器件，可防止短路时损坏适配器。

 
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。

 
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。

ESD元件最重要的参数是电容量。一般MLV的电容量是40～220pf，E系列的电容量是3～12pf；而PESD的电容量仅为0.25pf。

 
不同工作频率及要求ESD保护元件的电容量关系如表2所示。常用的ESD保护元件比较如表3所示。

采用硅ESD保护元件在2.25GHz时的眼图如图9所示，而采用PESD元件在3.4GHz时的眼图如图10所示，这两图的比较说明了PESD的优良性能。
图11是一种典型的显示端口保护电路。2.7GHz的高频信号线采用8个PESD保护元件，辅助通道工作频率为1MHz，采用5个MLV保护元件；在低压直流电源中则采用了PolySwitchTM元件作过流保护。这样的设计既满足电路能耗要求，并且降低了成本。

 

PolyZenTM元件及其应用电路

PolyZenTM元件器件是由精密齐纳二极管和聚合物正温度系数（PPTC）元件组合而成的集成电路。它是用于防止感应尖峰电压、瞬间高电压、错用电源 适配器对电路产生过压、过流危害的保护器件，内部结构如图14所示。其典型应用电路如图15所示。在图15中，RLOAD为被保护的下游电路。

在正常工作时，VIN输入电压高于齐纳二极管的击穿电压VZ，有IFLT电流经齐纳二极管到地，VOUT输出稳定的电压。有不正常的过压输入VIN时，则齐纳二极管的IFLT会产生过流，当器件上有过流时，其电阻由低阻态瞬变到高阻态，使在其上的压降大增，VOUT输出基本不变，而流过齐纳二极管的电流IFLT反而减小，如图16所示。器件上电压降的增大既保护了齐纳二极管，又保护了下游的电路。另外，若被保护的下游电路中存在有局部短路或短路故障时，IOUT会增加，PPTC元件由低阻态变成高阻态，可使电路得到过流保护。

该器件的主要特点：

保护下游电子元器件免受过压及反向偏压的损害（例如5V的适配器错用了12V的适配器或极性接反）；由于PPTC元件的作用，减少了齐纳二极管散热的要求，减小占PCB的面积及降低成本；在过压故障时，VOUT输出基本不变；齐纳二极管的耐受能量大，可达30W；小尺寸贴片或4mm×4mm封装。

该器件主要应用于便携式多媒体播放器（PMP）、GPS、5V和12V硬型驱动器的总线保护、USB5V总线保护等。