電路保護設計需要注意哪些事項?
發布時間:2019-02-15 責任編輯:xueqi
【導讀】在通信、消費、軍工、航空航天等領域,ESD往往是引起電路失效的罪魁禍首,而過流過壓保護器件選擇、傳導輻射電磁幹擾消除、EMC測試環境等問題成為工程師在設計時的難點,這些問題該怎麼解決呢?
隨著電子產品集成度、處理器速度、開關速率和接口速率的不斷提升,電子產品ESD/EMI/EMC問題日益突出,尤其是當手持電子設備向輕薄小巧方向發展而且產品功能不斷增加時,它們的輸入/輸出端口也隨之增多,導致靜電放電進入係統並幹擾或損壞集成電路,電路保護是最容易出現問題的部分,也是容易被忽略的問題。

在通信、消費、軍工、航空航天等領域,ESD往往是引起電路失效的罪魁禍首,而過流過壓保護器件選擇、傳導輻射電磁幹擾消除、EMC測試環境等問題成為工程師在設計時的難點,這些問題該怎麼解決呢?
一、電路保護從元器件選型開始
電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)元(yuan)器(qi)件(jian)通(tong)常(chang)包(bao)括(kuo)過(guo)壓(ya)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)和(he)過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)兩(liang)種(zhong),工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)針(zhen)對(dui)各(ge)種(zhong)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)特(te)點(dian)和(he)不(bu)同(tong)的(de)應(ying)用(yong)類(lei)型(xing)進(jin)行(xing)選(xuan)擇(ze)。電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)中(zhong),印(yin)製(zhi)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)密(mi)度(du)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao),半(ban)導(dao)體(ti)元(yuan)件(jian)和(he)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)不(bu)斷(duan)降(jiang)低(di),生(sheng)產(chan)商(shang)就(jiu)運(yun)用(yong)表(biao)麵(mian)貼(tie)裝(zhuang)技(ji)術(shu)、片式多層陶瓷技術、陣列技術等新技術開發小尺寸、滿足小電壓大電流電路保護需求的產品;可以預見,未來電子電力技術不斷發展,國內外電路保護元器件生產商將繼續大力研發新產品、新技術,為各個應用領域提供合適的、安全的電路保護元器件。
選擇適當的電路保護器件是實現高效、可(ke)靠(kao)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)設(she)計(ji)的(de)關(guan)鍵(jian),涉(she)及(ji)到(dao)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)的(de)選(xuan)型(xing),我(wo)們(men)就(jiu)必(bi)須(xu)要(yao)知(zhi)道(dao)各(ge)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)的(de)作(zuo)用(yong)。在(zai)選(xuan)擇(ze)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)的(de)時(shi)候(hou)我(wo)們(men)要(yao)知(zhi)道(dao)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)不(bu)應(ying)幹(gan)擾(rao)受(shou)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)的(de)正(zheng)常(chang)行(xing)為(wei),此(ci)外(wai),還(hai)必(bi)須(xu)防(fang)止(zhi)任(ren)何(he)電(dian)壓(ya)瞬(shun)態(tai)造(zao)成(cheng)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)重(zhong)複(fu)性(xing)或(huo)非(fei)重(zhong)複(fu)性(xing)的(de)不(bu)穩(wen)定(ding)行(xing)為(wei),進(jin)行(xing)多(duo)次(ci)模(mo)擬(ni)測(ce)試(shi),從(cong)而(er)實(shi)現(xian)電(dian)路(lu)防(fang)護(hu)方(fang)案(an)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)實(shi)用(yong)性(xing)。
二、電路保護器件的選擇技巧
麵對ESD、過壓、浪湧、過熱等現象帶來的巨大危害性,最新的電路保護器件除了需要關注伏安特性、保bao護hu級ji別bie等deng因yin素su之zhi外wai,還hai要yao考kao慮lv其qi他ta很hen多duo問wen題ti。比bi如ru電dian子zi設she備bei越yue來lai越yue輕qing薄bo,為wei了le符fu合he尺chi寸cun的de限xian製zhi並bing在zai更geng小xiao的de占zhan位wei麵mian積ji中zhong提ti供gong電dian路lu保bao護hu,保bao護hu器qi件jian製zhi造zao商shang需xu要yao開kai發fa出chu尺chi寸cun更geng小xiao的de元yuan器qi件jian,這zhe就jiu需xu要yao廠chang商shang不bu斷duan提ti高gao元yuan器qi件jian的de能neng量liang密mi度du,當dang電dian子zi設she備bei接jie口kou速su率lv不bu斷duan提ti升sheng,為wei保bao證zheng信xin號hao完wan整zheng性xing就jiu必bi須xu考kao慮lv保bao護hu器qi件jian電dian容rong的de大da小xiao,保bao護hu方fang案an必bi須xu緊jin隨sui接jie口kou發fa展zhan的de趨qu勢shi,確que保bao接jie口kou的de可ke靠kao性xing,同tong時shi還hai得de保bao證zheng保bao護hu元yuan器qi件jian的de耐nai衝chong擊ji次ci數shu、抗震、防潮等因素。
三、過流、過壓保護器件的特性
保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)雖(sui)然(ran)種(zhong)類(lei)繁(fan)多(duo),從(cong)功(gong)能(neng)上(shang)講(jiang)可(ke)以(yi)分(fen)為(wei)過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)和(he)過(guo)壓(ya)保(bao)護(hu)。最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)是(shi)熔(rong)斷(duan)器(qi),也(ye)叫(jiao)保(bao)險(xian)絲(si)。它(ta)一(yi)般(ban)串(chuan)聯(lian)在(zai)電(dian)路(lu)中(zhong),要(yao)求(qiu)其(qi)電(dian)阻(zu)要(yao)小(xiao)(功耗小),當dang電dian路lu正zheng常chang工gong作zuo時shi,它ta隻zhi相xiang當dang於yu一yi根gen導dao線xian,能neng夠gou長chang時shi間jian穩wen定ding的de導dao通tong電dian路lu,由you於yu電dian源yuan或huo外wai部bu幹gan擾rao而er發fa生sheng電dian流liu波bo動dong時shi,也ye應ying能neng承cheng受shou一yi定ding範fan圍wei的de過guo載zai,隻zhi有you當dang電dian路lu中zhong出chu現xian較jiao大da的de過guo載zai電dian流liu(故障或短路)時,熔斷器才會動作,通過斷開電流來保護電路的安全,以避免產品燒毀的危險。
在熔斷器分斷電路的過程中,由於電路電壓的存在,在熔體斷開的瞬間會發生電弧,高質量的熔斷器應該盡量避免這種飛弧;在分斷電路後,熔斷器應能耐受加在兩端的電路電壓.熔斷器受脈衝損傷會逐步降低承受脈衝的能力,選用時需要考慮必要的安全餘量;這個安全餘量是指熔斷器的總熔斷(動作)時間,它是預飛弧時間和飛弧時間之和。
所以在選擇的時候需要留意它的熔斷特性和額定電流這個基本條件;另ling外wai安an裝zhuang時shi要yao考kao慮lv熔rong斷duan器qi周zhou邊bian的de環huan境jing,熔rong斷duan器qi隻zhi有you達da到dao本ben身shen的de熔rong化hua熱re能neng值zhi的de時shi候hou才cai會hui熔rong斷duan,如ru果guo是shi在zai環huan境jing較jiao冷leng的de狀zhuang況kuang下xia,它ta的de熔rong斷duan時shi間jian會hui變bian化hua,這zhe是shi使shi用yong時shi必bi須xu留liu意yi的de。
四、EMC測試要點
電磁兼容性(EMC)是指設備或係統在電磁環境中性能不降級的狀態。EMC,一yi方fang麵mian要yao求qiu係xi統tong內nei沒mei有you嚴yan重zhong的de幹gan擾rao源yuan即ji設she備bei在zai正zheng常chang運yun行xing過guo程cheng中zhong對dui所suo在zai環huan境jing產chan生sheng的de電dian磁ci幹gan擾rao不bu能neng超chao過guo一yi定ding的de限xian值zhi,另ling一yi方fang麵mian要yao求qiu設she備bei或huo係xi統tong自zi身shen有you較jiao好hao的de抗kang電dian磁ci幹gan擾rao性xing即ji器qi具ju對dui所suo在zai環huan境jing中zhong存cun在zai的de電dian磁ci幹gan擾rao具ju有you一yi定ding程cheng度du的de抗kang擾rao度du,即ji電dian磁ci敏min感gan性xing。
EMC包括EMI(電磁幹擾)及EMS(電磁耐受性)兩部份,一是EMI電磁幹擾,乃為機器本身在執行應有功能的過程中所產生不利於其它係統的電磁噪聲;二是EMS乃指機器在執行應有功能的過程中不受周圍電磁環境影響的能力。
五、如何消除電磁幹擾?
電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao),是(shi)指(zhi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)自(zi)身(shen)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong),產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo),對(dui)外(wai)發(fa)射(she),從(cong)而(er)對(dui)設(she)備(bei)其(qi)它(ta)部(bu)分(fen)或(huo)外(wai)部(bu)其(qi)它(ta)設(she)備(bei)造(zao)成(cheng)幹(gan)擾(rao)。係(xi)統(tong)要(yao)發(fa)生(sheng)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)性(xing)問(wen)題(ti)即(ji)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao),必須具備三個因素,就是電磁幹擾源、耦合途徑、敏感設備。所以,在解決電磁幹擾問題時,要從這三個因素人手,對症下藥,消除其中某一個因素,就能解決電磁兼容問題。常用的有效的方法有:接地技術、屏蔽技術、濾波技術。
在通信局(站)中,通常有兩種防雷接地:一(yi)種(zhong)是(shi)為(wei)保(bao)護(hu)建(jian)築(zhu)物(wu)或(huo)天(tian)線(xian)不(bu)受(shou)雷(lei)擊(ji)而(er)專(zhuan)設(she)的(de)避(bi)雷(lei)針(zhen)防(fang)雷(lei)接(jie)地(di)裝(zhuang)置(zhi),這(zhe)是(shi)由(you)建(jian)築(zhu)部(bu)門(men)設(she)計(ji)安(an)裝(zhuang)的(de),另(ling)一(yi)種(zhong)是(shi)為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)雷(lei)擊(ji)過(guo)電(dian)壓(ya)對(dui)通(tong)信(xin)設(she)備(bei)或(huo)電(dian)源(yuan)設(she)備(bei)的(de)破(po)壞(huai)需(xu)安(an)裝(zhuang)避(bi)雷(lei)器(qi)而(er)埋(mai)設(she)的(de)防(fang)雷(lei)接(jie)地(di)裝(zhuang)置(zhi)。保(bao)護(hu)接(jie)地(di)就(jiu)是(shi)將(jiang)受(shou)電(dian)設(she)備(bei)在(zai)正(zheng)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)與(yu)帶(dai)電(dian)部(bu)分(fen)絕(jue)緣(yuan)的(de)金(jin)屬(shu)外(wai)殼(ke)部(bu)分(fen)與(yu)接(jie)地(di)裝(zhuang)置(zhi)作(zuo)良(liang)好(hao)的(de)電(dian)氣(qi)連(lian)接(jie)。
電dian路lu中zhong的de電dian磁ci屏ping蔽bi技ji術shu主zhu要yao是shi在zai共gong同tong的de電dian磁ci環huan境jing中zhong進jin行xing生sheng存cun,通tong過guo運yun用yong電dian磁ci幹gan擾rao抑yi製zhi技ji術shu防fang止zhi在zai實shi際ji工gong作zuo中zhong收shou到dao其qi他ta因yin素su的de幹gan擾rao,導dao致zhi技ji術shu出chu現xian應ying用yong不bu合he理li現xian象xiang。屏ping蔽bi技ji術shu主zhu要yao是shi運yun用yong完wan整zheng的de金jin屬shu屏ping蔽bi體ti將jiang帶dai點dian導dao體ti包bao圍wei起qi來lai,提ti高gao屏ping蔽bi體ti的de感gan應ying能neng力li,確que保bao外wai側ce能neng夠gou出chu現xian與yu帶dai電dian導dao體ti相xiang同tong的de電dian荷he,如ru果guo外wai側ce的de電dian荷he流liu入ru到dao大da地di,外wai側ce也ye不bu會hui出chu現xian電dian漏lou,而er金jin屬shu屏ping蔽bi體ti導dao電dian性xing能neng越yue好hao,代dai表biao靜jing電dian的de屏ping蔽bi效xiao果guo越yue好hao,屏ping蔽bi技ji術shu需xu要yao通tong過guo接jie地di起qi到dao屏ping蔽bi作zuo用yong。
濾(lv)波(bo)器(qi)是(shi)射(she)頻(pin)係(xi)統(tong)中(zhong)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)的(de)關(guan)鍵(jian)部(bu)件(jian)之(zhi)一(yi),主(zhu)要(yao)是(shi)用(yong)來(lai)作(zuo)頻(pin)率(lv)選(xuan)擇(ze),讓(rang)需(xu)要(yao)的(de)頻(pin)率(lv)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)而(er)反(fan)射(she)不(bu)需(xu)要(yao)的(de)幹(gan)擾(rao)頻(pin)率(lv)信(xin)號(hao)。信(xin)號(hao)濾(lv)波(bo)是(shi)已(yi)知(zhi)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)時(shi),在(zai)衰(shuai)減(jian)帶(dai)外(wai)幹(gan)擾(rao)的(de)同(tong)時(shi),保(bao)證(zheng)通(tong)帶(dai)內(nei)具(ju)有(you)極(ji)低(di)的(de)插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)。
EMI濾(lv)波(bo)是(shi)在(zai)期(qi)望(wang)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)帶(dai)寬(kuan)的(de)範(fan)圍(wei)內(nei),端(duan)接(jie)阻(zu)抗(kang)的(de)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)會(hui)增(zeng)大(da),其(qi)加(jia)載(zai)電(dian)流(liu)影(ying)響(xiang)的(de)插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)是(shi)由(you)對(dui)外(wai)界(jie)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)的(de)抑(yi)製(zhi)能(neng)力(li)決(jue)定(ding)的(de)。
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