隨著電子系統(tǒng)的復雜性和集成度越來越高，而工作電壓越來越低，電子系統(tǒng)對可靠性、穩(wěn)定性和安全性的要求也越來越高，電路保護設計的重要性也越來越強。在電路保護設計中，電路保護器件的選擇和應用是否合理，將直接影響電子系統(tǒng)電路保護方案的保護效果。 近年來下游市場，不管是電子產品、汽車電子還是工業(yè)領域及USB Type-C的各種設備，對小型化、集成化的要求都越來越高，因此對電容器、電感器、電阻器以及電路保護元器件等基礎電子元器件的尺寸要求也越來越苛刻。電子工程師這碗飯是越來越難吃了！在智能化時代，連保護電路設計也要涉及智能化。譬如，局部電路保護與整體電路保護的反饋，當某一電路保護元器件發(fā)生動作時，立即向控制臺匯報，并對整體電路的保護元器件發(fā)出動作指令，實現(xiàn)整體協(xié)調保護功能；還有主動保護，即保護不再僅僅是局限在安全方面，而是上升到使電路原有功能不受影響和提高產品可靠性的角度上來，因此主動元件、芯片會被逐步引入電路保護領域。 火到不行的USB Type-C，雖然能力很強但也需要被保護 從性能上看，USB Type-C幾乎是“萬能”的。在數(shù)據(jù)傳輸方面，它支持USB3.1規(guī)范，每個通道的數(shù)據(jù)帶寬可達到10Gbps；同時它也是電子設備的功率傳輸接口，基于最新的USB-PD協(xié)議，經由USB Type-C可傳輸最高100W的功率；此外，USB Type-C同時支持數(shù)據(jù)和音視頻信號的傳輸，堪稱多面手；最后，在物理結構上USB Type-C支持無方向的正反插，身材也更纖細，讓用戶體驗又上了一個臺階。由此可以看出，USB-IF為這次產品標準的升級做足了準備。 不過在談論USB Type-C的種種“美好”之時，其產品可靠性的問題也不容忽視，使用中由于熱插拔、短路、ESD、故障設備和用戶誤操作引發(fā)的風險，需要有可靠的電路保護措施來化解。否則，挑剔的消費者也是不會買單的。 通常意義上的電路保護包括過流保護和過壓保護。USB Type-C的過流保護有四種不同的設計架構。第一種是直接采用集成了功率開關的PD控制器IC，這種方案的集成度較高，性能也最好，但是成本也比較高。第二種成本比較低的是“PD控制器 電流感應電路”的方案，但性能受限。其他兩種“PD控制器 外置功率開關”的方案和 “PD控制器 MOSFET PTC”的方案成本適中，其中后者是Bourns公司特有的方案，可以實現(xiàn)最佳的性價比，并且在5-20V的電壓范圍內有多種型號供開發(fā)者選擇。 USB Type-C的過壓保護方面是通過TVS來實現(xiàn)的。由于USB Type-C正反插無方向的結構，其具有上下兩組對稱的接口，每組包括兩組10Gbps高速數(shù)據(jù)收發(fā)通道（SSRX /SSRX -，SSTX /SSTX -）、一組兼容以前USB標準的480Mbps數(shù)據(jù)通道（D /D-）和一組進行USB-PD協(xié)議通信的專用通道（CC /-），所以需要保護的通道數(shù)量也較以往的USB接口更多，這就需要TVS陣列出場了。為此電路保護元器件廠商推出了小型化、高集成的方案。比如Bourns的方案， 利用兩個6通道TVS陣CDDFN10-0516P列和一個4 通道TVS陣列CDDFN10-0524P，只需三顆器件就完成了USB Type-C的過壓保護。 為了幫助工程師正確理解電路保護設計及器件選擇，合理應用電路保護器件設計高效的電路保護解決方案，本文將主要介紹： 第一部分介紹常用過流、過壓、過溫保護電路之選型技巧； 第二部分重點分析USB Type-C、保險絲、瞬態(tài)電壓抑制器、ESD保護器件、防雷保護器件等的實際應用方案； 首先，作為專業(yè)級的電子工程師就必須要注意做好以下幾點設計考慮了。 一、常用過流、過壓、過溫保護電路之選型技巧 事實上，電路保護主要有三種形式：過壓保護、過流保護和過溫保護。 選擇適當?shù)碾娐繁Ｗo器件是實現(xiàn)高效、可靠的電路保護設計之關鍵的第一步，那么，如何合理選擇電路保護器件？不同的保護器件其保護原理也各有不同，選擇的時候應結合其保護原理、工作條件和使用環(huán)境來考慮。 將介紹常用的幾種過壓、過流和過溫保護器件之選型技巧，幫助工程師正確選擇電路保護器件。 1.過壓保護器件的選型要點 過壓保護器件（OVP）用于保護后續(xù)電路免受甩負載或瞬間高壓的破壞，常用的過壓保護器件有壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器、靜電抑制器和放電管等。過壓保護器件選型應注意以下四個要點： 1）關斷電壓Vrwm的選擇。一般關斷電壓至少要比線路最高工作電壓高10% 2）箝位電壓VC的選擇。VC是指在ESD沖擊狀態(tài)時通過TVS的電壓，它必須小于被保護電路的能承受的最大瞬態(tài)電壓 3）浪涌功率Pppm的選擇。不同功率，保護的時間不同，如600w（10/1000us）;300W（8/20us） 4）極間電容的選擇。被保護元器件的工作頻率越高，要求TVS的電容要越小 1.1 ESD抑制器 選擇合適的ESD保護器件，最大的難點在于如何最容易地明確哪種器件可以提供最大的保護。系統(tǒng)供應商一般是通過數(shù)據(jù)手冊上的ESD額定值（或標稱值）來比較ESD保護器件的好壞。事實上，從這些額定值根本看不出器件保護系統(tǒng)的能力有多強，關鍵取決于其二極管參數(shù)。主要的參考系數(shù)應該是： ---快速響應時間 ---低箝位電壓 ---高電流浪涌承受能力 選擇ESD器件應該遵循下面的要求： （1）選擇靜電保護器件注意： ? 箝制電壓不要超過受保護器件的最大承受電壓 ? 電路電壓不超過保護器件工作電壓 ? 低電容值、漏電流盡可能的減少干擾及損耗 （2）靜電保護器件盡量安裝在最接近靜電輸入的地方，遠離被保護器件 （3）靜電保護器件一定接的大地線，不是數(shù)字地線 （4）回地的線路盡量的短，靜電保護器件與被保護線路之間的距離盡量的短 （5）盡量避免被保護與未被保護線路并排走線 1.2壓敏電阻 壓敏電阻選用時應注意的是：連續(xù)施加在壓敏電阻兩端的電源電壓，不能超過規(guī)格表中列出的?°最大持續(xù)工作電壓?±值。還要充分考慮到電網(wǎng)（或電路）工作電壓的波動幅度， 選取壓敏電阻的壓敏電壓值時，要留有足夠的余量。國內一般的波動幅度為30%。通過壓敏電阻的最大浪涌電流不應超過技術規(guī)格書中的?°最大沖擊電流?±值 （也就是最大通流量）?？紤]到要耐受多次沖擊時，應該選用能耐受10次以上沖擊的浪涌電流值。 壓敏電阻的箝位電壓必須小于被保護的部件或設備能承受的最大電壓（即安全電壓）。 1.3 瞬態(tài)電壓抑制器TVS 瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-12秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。 TVS管的選用應注意以下幾點： 確定被保護電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標準電壓和“高端”容限。 TVS額定反向關斷VWM應大于或等于被保護電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串行連接分電壓，并行連接分電流。 TVS的最大箝位電壓VC應小于被保護電路的損壞電壓。 在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護電路內可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應大于瞬態(tài)浪涌電流。 對于數(shù)據(jù)接口電路的保護，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。