隨著電子系統(tǒng)的復(fù)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(duì)可靠性、穩(wěn)定性和安全性的要求也越來越高，電路保護(hù)設(shè)計(jì)的重要性也越來越強(qiáng)。在電路保護(hù)設(shè)計(jì)中，電路保護(hù)器件的選擇和應(yīng)用是否合理，將直接影響電子系統(tǒng)電路保護(hù)方案的保護(hù)效果。

近年來下游市場，不管是電子產(chǎn)品、汽車電子還是工業(yè)領(lǐng)域及USB Type-C的各種設(shè)備，對(duì)小型化、集成化的要求都越來越高，因此對(duì)電容器、電感器、電阻器以及電路保護(hù)元器件等基礎(chǔ)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(shí)代，連保護(hù)電路設(shè)計(jì)也要涉及智能化。譬如，局部電路保護(hù)與整體電路保護(hù)的反饋，當(dāng)某一電路保護(hù)元器件發(fā)生動(dòng)作時(shí)，立即向控制臺(tái)匯報(bào)，并對(duì)整體電路的保護(hù)元器件發(fā)出動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)保護(hù)功能；還有主動(dòng)保護(hù)，即保護(hù)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(chǎn)品可靠性的角度上來，因此主動(dòng)元件、芯片會(huì)被逐步引入電路保護(hù)領(lǐng)域。

火到不行的USB Type-C，雖然能力很強(qiáng)但也需要被保護(hù)

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(gè)通道的數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)到10Gbps；同時(shí)它也是電子設(shè)備的功率傳輸接口，基于最新的USB-PD協(xié)議，經(jīng)由USB Type-C可傳輸最高100W的功率；此外，USB Type-C同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)和音視頻信號(hào)的傳輸，堪稱多面手；最后，在物理結(jié)構(gòu)上USB Type-C支持無方向的正反插，身材也更纖細(xì)，讓用戶體驗(yàn)又上了一個(gè)臺(tái)階。由此可以看出，USB-IF為這次產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)做足了準(zhǔn)備。

不過在談?wù)揢SB Type-C的種種“美好”之時(shí)，其產(chǎn)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(shè)備和用戶誤操作引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，需要有可靠的電路保護(hù)措施來化解。否則，挑剔的消費(fèi)者也是不會(huì)買單的。

通常意義上的電路保護(hù)包括過流保護(hù)和過壓保護(hù)。USB Type-C的過流保護(hù)有四種不同的設(shè)計(jì)架構(gòu)。第一種是直接采用集成了功率開關(guān)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(yīng)電路”的方案，但性能受限。其他兩種“PD控制器+外置功率開關(guān)”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(shí)現(xiàn)最佳的性價(jià)比，并且在5-20V的電壓范圍內(nèi)有多種型號(hào)供開發(fā)者選擇。

USB Type-C的過壓保護(hù)方面是通過TVS來實(shí)現(xiàn)的。由于USB Type-C正反插無方向的結(jié)構(gòu)，其具有上下兩組對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的480Mbps數(shù)據(jù)通道（D+/D-）和一組進(jìn)行USB-PD協(xié)議通信的專用通道（CC+/-），所以需要保護(hù)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(hù)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(gè)6通道TVS陣CDDFN10-0516P列和一個(gè)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(hù)。

為了幫助工程師正確理解電路保護(hù)設(shè)計(jì)及器件選擇，合理應(yīng)用電路保護(hù)器件設(shè)計(jì)高效的電路保護(hù)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(hù)電路之選型技巧；

第二部分重點(diǎn)分析USB Type-C、保險(xiǎn)絲、瞬態(tài)電壓抑制器、ESD保護(hù)器件、防雷保護(hù)器件等的實(shí)際應(yīng)用方案；

首先，作為專業(yè)級(jí)的電子工程師就必須要注意做好以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)考慮了。

一、常用過流、過壓、過溫保護(hù)電路之選型技巧

事實(shí)上，電路保護(hù)主要有三種形式：過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過溫保護(hù)。

選擇適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)器件是實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電路保護(hù)設(shè)計(jì)之關(guān)鍵的第一步，那么，如何合理選擇電路保護(hù)器件？不同的保護(hù)器件其保護(hù)原理也各有不同，選擇的時(shí)候應(yīng)結(jié)合其保護(hù)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(hù)器件之選型技巧，幫助工程師正確選擇電路保護(hù)器件。

1.過壓保護(hù)器件的選型要點(diǎn)

過壓保護(hù)器件（OVP）用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞，常用的過壓保護(hù)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(hù)器件選型應(yīng)注意以下四個(gè)要點(diǎn)：

1）關(guān)斷電壓Vrwm的選擇。一般關(guān)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(shí)通過TVS的電壓，它必須小于被保護(hù)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(hù)的時(shí)間不同，如600w（10/1000us）;300W（8/20us）

4）極間電容的選擇。被保護(hù)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(hù)器件，最大的難點(diǎn)在于如何最容易地明確哪種器件可以提供最大的保護(hù)。系統(tǒng)供應(yīng)商一般是通過數(shù)據(jù)手冊上的ESD額定值（或標(biāo)稱值）來比較ESD保護(hù)器件的好壞。事實(shí)上，從這些額定值根本看不出器件保護(hù)系統(tǒng)的能力有多強(qiáng)，關(guān)鍵取決于其二極管參數(shù)。主要的參考系數(shù)應(yīng)該是：

快速響應(yīng)時(shí)間

低箝位電壓

高電流浪涌承受能力

選擇ESD器件應(yīng)該遵循下面的要求：

（1）選擇靜電保護(hù)器件注意：

? 箝制電壓不要超過受保護(hù)器件的最大承受電壓

? 電路電壓不超過保護(hù)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(hù)器件盡量安裝在最接近靜電輸入的地方，遠(yuǎn)離被保護(hù)器件

（3）靜電保護(hù)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(hù)器件與被保護(hù)線路之間的距離盡量的短

（5）盡量避免被保護(hù)與未被保護(hù)線路并排走線

1.2壓敏電阻

壓敏電阻選用時(shí)應(yīng)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(dòng)幅度， 選取壓敏電阻的壓敏電壓值時(shí)，要留有足夠的余量。國內(nèi)一般的波動(dòng)幅度為30%。通過壓敏電阻的最大浪涌電流不應(yīng)超過技術(shù)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(shí)，應(yīng)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(hù)的部件或設(shè)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(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)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(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限。

TVS額定反向關(guān)斷VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)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(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。

在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)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(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。

對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護(hù)選用TVS陣列更為有利。

溫度考慮。瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55~+150℃之間工作。

1.4 陶瓷氣體放電管

陶瓷氣體放電管屬于開關(guān)組件，用于電源防雷器共模電路中將雷電流泄放入地，也可用在差模電路中與壓敏電阻串聯(lián)而阻斷其漏電流。在信號(hào)防雷器中常用于第一級(jí)泄放浪涌電流，由于其反應(yīng)速度慢，還要用第二級(jí)作限壓保護(hù)。

在選擇陶瓷氣體放電管時(shí)應(yīng)注意：

陶瓷氣體放電管不能直接用在電源上做差模保護(hù)；

擊穿電壓要大于線路上最大信號(hào)電頻電壓；

耐電流不能小于線路上可能出現(xiàn)的最大異常電流；

還有脈沖擊穿電壓須小于被保護(hù)線路電壓。

2.過流保護(hù)器件的選型

過流保護(hù)器件主要有一次性熔斷器、自恢復(fù)熔斷器、熔斷電阻和斷路器等，其中，最重要的過流保護(hù)器件是熔斷器，也叫保險(xiǎn)絲。它一般串聯(lián)在電路中，要求其電阻要小（功耗?。?dāng)電路正常工作時(shí)，它只相當(dāng)于一根導(dǎo)線，能夠長時(shí)間穩(wěn)定的導(dǎo)通電路;由于電源或外部干擾而發(fā)生電流波動(dòng)時(shí)，也應(yīng)能承受一定范圍的過載;只有當(dāng)電路中出現(xiàn)較大的過載電流（故障或短路）時(shí)，熔斷器才會(huì)動(dòng)作，通過斷開電流來保護(hù)電路的安全，以避免產(chǎn)品燒毀的危險(xiǎn)。

在熔斷器分?jǐn)嚯娐返倪^程中，由于電路電壓的存在，在熔體斷開的瞬間會(huì)發(fā)生電弧，高質(zhì)量的熔斷器應(yīng)該盡量避免這種飛弧;在分?jǐn)嚯娐泛?，熔斷器?yīng)能耐受加在兩端的電路電壓。熔斷器受脈沖損傷會(huì)逐步降低承受脈沖的能力，選用時(shí)需要考慮必要的安全余量;這個(gè)安全余量是指熔斷器的總?cè)蹟啵▌?dòng)作）時(shí)間，它是預(yù)飛弧時(shí)間和飛弧時(shí)間之和。所以在選擇的時(shí)候需要留意它的熔斷特性和額定電流這個(gè)基本條件;另外安裝時(shí)要考慮熔斷器周邊的環(huán)境，熔斷器只有達(dá)到本身的熔化熱能值的時(shí)候才會(huì)熔斷，如果是在環(huán)境較冷的狀況下，它的熔斷時(shí)間會(huì)變化，這是使用時(shí)必須留意的。

總的來說，保險(xiǎn)絲的選型應(yīng)注意以下十個(gè)要素：

額定電流;

額定電壓;

環(huán)境溫度;

電壓降 / 冷電阻;

熔斷特性： 過載能力，時(shí)間 / 電流特性;

分?jǐn)嗄芰?

熔化熱能值;

耐久性（壽命）;

結(jié)構(gòu)特征： 外形 / 尺寸，安裝形式;

安全認(rèn)證

結(jié)合以上的十個(gè)保險(xiǎn)絲選用注意要素，保險(xiǎn)絲的選用可根據(jù)下圖所示的流程來進(jìn)行。

3.過溫保護(hù)器件的選型

過溫保護(hù)器件主要有熱敏電阻、溫度開關(guān)和溫度熔斷器等。在電源設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用NTC熱敏電阻型浪涌抑制器作過溫保護(hù)，因?yàn)槠湟种评擞侩娏鞯哪芰εc普通電阻相當(dāng)，但在電阻上的功耗則可降低幾十到上百倍。

NTC熱敏電阻，即負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其特性是電阻值隨著溫度的升高而呈非線性的下降。NTC熱敏電阻的選型要考慮以下幾個(gè)要點(diǎn)：

1）最大額定電壓和濾波電容值

濾波電容的大小決定了應(yīng)該選用多大尺寸的NTC。對(duì)于某個(gè)尺寸的NTC熱敏電阻來說，允許接入的濾波電容的大小是有嚴(yán)格要求的，這個(gè)值也與最大額定電壓有關(guān)。在電源應(yīng)用中，開機(jī)浪涌是因?yàn)殡娙莩潆姰a(chǎn)生的，因此通常用給定電壓值下的允許接入的電容量來評(píng)估NTC熱敏電阻承受浪涌電流的能力。簡單來說，就是輸入電壓越大，允許接入的最大電容值就越小，反之亦然。NTC熱敏電阻產(chǎn)品的規(guī)范一般定義了在220Vac下允許接入的最大電容值。

2）產(chǎn)品允許的最大啟動(dòng)電流值和長期加載在NTC熱敏電阻上的工作電流

電子產(chǎn)品允許的最大啟動(dòng)電流值決定了NTC熱敏電阻的阻值。產(chǎn)品正常工作時(shí)，長期加載在NTC熱敏電阻上的電流應(yīng)不大于規(guī)格書規(guī)定的電流。

在USB Type-C過溫保護(hù)方面，一些創(chuàng)新性的產(chǎn)品和方案也正在逐漸進(jìn)入人們的視野。Bourns公司在Type-C過溫保護(hù)方面提出的兩種解決方案都頗具競爭優(yōu)勢：一種是采用mini-Breaker 控溫器件，它是一個(gè)可恢復(fù)器件，在溫度異常（過高）時(shí)觸發(fā)，而在電源被切斷或溫度回到安全水平時(shí)自恢復(fù)；另一種采用P-TCO的方案，P-TCO是溫度觸發(fā)的可恢復(fù)保險(xiǎn)絲，與mini-Breaker相比體積更小，且在成本上也更有競爭力。這兩種方案各具特色，可為不同應(yīng)用需求的開發(fā)者提供更多差異化的空間。