電路保護設計
關注創建者：電子設計聯盟 創建時間：2023-02-23
電路保護設計的視頻教程
Ansys Lumerical光子集成電路PIC 有源器件的設計與仿真
光子集成電路(Photonic Integrated Circuit, PIC) 由于具備可實現高速光電轉換、高頻寬、低損耗等特性，并且可以大幅縮減模組尺寸及成本，是未來發展的關鍵技術。 Ansys Lumerical 為設計人員提供高性能光子模擬軟體，提供專門用于光子器件、電路和系統設計的模擬環境。
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電路保護設計的實例教程
電池在充電過程中著火或飛行途中由于一些電氣問題而發生故障，這些都是常見的例子，這就突出說明了為什么強大的電氣保護是必不可少的。
幸運的是，越來越多的工具和技術可用于實現被動電池安全系統，靜電放電（ESD）保護和失速電機保護。
圖1展示了一個通用的無人機設計，強調了無人機制造商在為其產品的各種電氣子系統設計電路保護時必須考慮的一些領域，以及為每個應用程序設計一些最常見的電路保護組件。
圖1:需要電路保護的無人機子系統
保護電池和充電電路
無人機需要機載電池來為其運作提供動力。
鋰聚合物（Lipo）電池是無人機最常用的電池類型之一，因其具有高能量密度（與尺寸和重量相關）的優勢，每個電池具有更高的電壓，因此它們可以用比其它可充電電池更少數量的電池為無人機的機載系統供電。
它們的放電速度也比其它類型的慢，因此它們在不使用時能保持更長的充電時間。
但是，如果充電或使用不當，它們無法提供長時間的最佳性能，甚至可能開始冒煙和起火。
過放電和過充電是外部產生的兩種事件，它們會導致鋰離子電池出現問題。
在過放電過程中，如果電池電壓下降到大約1.5V以下，陽極會產生氣體。當電壓降到1V以下時，來自集電器中的銅溶解，導致電池內部短路。因此，需要由電池保護IC提供欠壓保護。當電池電壓達到約4.6V時，過度充電會在陰極產生氣體和熱量積聚。盡管圓柱形電池具有內部壓力保護、激活的CIDs（電流中斷裝置）和內部PTC（正溫度系數盤，加熱時電阻增加），但LiPo電池沒有內部CIDs和PTC。
展開 電路保護主要有兩種形式：過壓保護和過流保護。選擇適當的電路保護器件是實現高效、可靠電路保護設計的關鍵，涉及到電路保護器件的選型，我們就必須要知道各電路保護器件的作用。在選擇電路保護器件的時候我們要知道保護電路不應干擾受保護電路的正常行為，此外，其還必須防止任何電壓瞬態造成整個系統的重復性或非重復性的不穩定行為。
電路保護最常見的器件有三：GDT、MOV和TVS。
01
GDT陶瓷氣體放電管
在正常的工作條件下，一只GDT的并聯阻抗約為1TΩ ，并聯電容為1pF以下。當施加在GDT兩端的電勢低于氣體電離電壓(即“輝光”電壓)時，GDT的小漏電流(典型值小于1 pA)和小電容幾乎不發生變化。一旦GDT達到輝光電壓，其并聯阻抗將急劇下降，從而電流流過氣體。不斷增加的電流使大量氣體形成等離子體，等離子體又使該器件上的電壓進一步降低至15V左右。當瞬變源不再繼續提供等離子電流時，等離子體就自動消失。GDT的凈效果是一種消弧作用，它能在1ms內將瞬變事件期間的電壓限制在大約15V以下。GDT的一個主要優點是迫使大部分能量消耗在瞬變的源阻抗中，而不是消耗在保護器件或被保護的電路中。GDT的觸發電壓由信號電壓的上升速率(dV/dt)、GDT的電極間隔、氣體類型以及氣體壓力共同確定。該器件可以承受高達20 kA的電流。
GDT有單極和三極兩種形式。三極GDT是一個看似簡單的器件，能在大難臨頭的關鍵時刻保持一個差分線對的平衡：少許的不對稱可以使瞬變脈沖優先耦合到平衡饋線的某一側，因而產生一個巨大的差分信號。
展開 在PCB板的設計當中,可以通過分層、恰當的布局布線和安裝實現PCB的抗ESD設計。在設計過程中,通過預測可以將絕大多數設計修改僅限于增減元器件。通過調整PCB布局布線,能夠很好地防范ESD。以下是一些常見的防范措施。
幾種典型的通用ESD保護電路
CAN Bus保護
數據線及接口保護
分享個人的ESD保護9大措施
最近在做電子產品的ESD測試，從不同的產品的測試結果發現，這個ESD是一項很重要的測試：如果電路板設計的不好，當引入靜電后，會引起產品的死機甚至是元器件的損壞。以前只注意到ESD會損壞元器件，沒有想到，對于電子產品也要引起足夠的重視。
ESD，也就是我們常說的靜電釋放(Electro-Static discharge)。從學習過的知識中可以知道，靜電是一種自然現象，通常通過接觸、摩擦、電器間感應等方式產生，其特點是長時間積聚、高電壓(可以產生幾千伏甚至上萬伏的靜電)、低電量、小電流和作用時間短的特點。對于電子產品來說，如果ESD設計沒有設計好，常常造成電子電器產品運行不穩定，甚至損壞。
在做ESD放電測試時通常采用兩種方法：接觸放電和空氣放電。
接觸放電就是直接對待測設備進行放電;空氣放電也稱為間接放電，是強磁場對鄰近電流環路耦合產生。這兩種測試的測試電壓一般為2KV-8KV，同地區要求不一樣，因此在設計之前，先要弄清楚產品針對的市場。
展開 通過增加電子元器件以提供電路保護，來防止內部和外部故障是吃力不討好的設計工作之一，這類似于購買保險。盡管遵循監管要求和最佳實踐是不錯的出發點，但當不需要時，它似乎是一個額外的負擔;而當確實需要時，又很難知道保護是否足夠到位。需要保護的最常見故障類別包括由內部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各種過壓事件。
共有以下三種基于元器件的過壓保護策略：
1.通過一個開關將相關的過電流轉接到地，一旦超過閾值電壓，該開關將變為非常低的阻抗;
2.通過保護線路兩端的電壓鉗位器耗散掉多余的能量;
3.當超過電壓閾值時，以類似熔斷器的動作斷開受影響的線路。
有許多元器件可用于實施這些保護策略。其中有些元器件在故障發生時可以充當撬棍和臨時短路線(圖1)，有些則充當鉗位器，將瞬態電壓限制在預設限值，直到故障消失(圖2)。
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MOS管防反保護電路
MOS管因工藝提升，自身性質等因素，其導通內阻技校，很多都是毫歐級，甚至更小，這樣對電路的壓降，功耗造成的損失特別小，甚至可以忽略不計，所以選擇MOS管對電路進行保護是比較推薦的方式。
（1） NMOS防護1
如下圖：上電瞬間，MOS管的寄生二極管導通，系統形成回路，源極S的電位大約為0.6V，而柵極G的電位為Vbat，MOS管的開啟電壓極為：Ugs = Vbat - Vs，柵極表現為高電平，NMOS的ds導通，寄生二極管被短路，系統通過NMOS的ds接入形成回路。
若電源接反，NMOS的導通電壓為0，NMOS截止，寄生二極管反接，電路是斷開的，從而形成保護。
（2）PMOS防護2
如下圖：上電瞬間，MOS管的寄生二極管導通，系統形成回路，源極S的電位大約為Vbat-0.6V，而柵極G的電位為0，MOS管的開啟電壓極為：Ugs = 0 -（Vbat-0.6），柵極表現為低電平，PMOS的ds導通，寄生二極管被短路，系統通過PMOS的ds接入形成回路。
若電源接反，NMOS的導通電壓大于0，PMOS截止，寄生二極管反接，電路是斷開的，從而形成保護。
注：NMOS管將ds串到負極，PMOS管ds串到正極，寄生二極管方向朝向正確連接的電流方向。
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LED驅動集成電路（LED Driver IC）是一種專為發光二極管（LED）提供?穩定電流?并實現高效、安全驅動的專用集成電路。其核心工作原理基于將輸入電源（交流或直流）轉換為適合LED工作的?恒流輸出?，以確保亮度穩定、延長壽命并避免熱失控。
恒流驅動必要性?：LED的正向電壓-電流（V/I）特性非常陡峭，且具有?負溫度系數?（溫度升高時導通電壓下降）。若采用恒壓驅動，微小的電壓波動會導致電流大幅變化
鈦絲驅動技術（NiTiDrivetech）的可靠性設計
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。鈦絲驅動技術（nitidrivetech）目前已經在航空航天
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【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。鈦絲驅動技術（nitidrivetech）目前已經在航空航天
光子集成電路 (PIC) 是眾多當前和下一代產品的關鍵支撐技術。PIC 將微電子領域常見的半導體材料和制造工藝與光的編碼、傳輸和檢測相結合，通過將帶寬與計算核心之間的距離拉近，改變了數據中心的通信方式，并加速了自動駕駛領域 LiDAR 和未來信息處理領域量子計算等新興應用的發展。
電子和光子之間的連接是通過能夠在光信道上編碼電信號，并將光轉換回電信號來恢復信息的器件實現的。在 PIC 中，電光調制器和光電探測器是實現這些轉換的基本光電元件
自恢復保險絲（Self-Resettable fuse），又稱PPTC熱敏電阻，是一種基于高分子有機聚合物與導電粒子復合材料的過流電子保護元件。其通過溫度敏感的材料特性，在正常狀態下保持低電阻導通，當電路過流或溫度過高時迅速轉為高阻態切斷電流，故障排除后自動恢復初始狀態，實現了重復保護功能。
自恢復保險絲的動作原理，是一種能量的動態平衡，流過自恢復保險絲的電流，由于電流熱效應的關系，產生一定程度的熱量
光子集成電路 (PIC) 是眾多當前和下一代產品的關鍵支撐技術。PIC 將微電子領域常見的半導體材料和制造工藝與光的編碼、傳輸和檢測相結合，通過將帶寬與計算核心之間的距離拉近，改變了數據中心的通信方式，并加速了自動駕駛領域 LiDAR 和未來信息處理領域量子計算等新興應用的發展。
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【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經過多道工序制成的絲，我們簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。鈦絲驅動技術目前已經在航空航天、洲際導彈、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。
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【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經過多道工序制成的絲，我們簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。
相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。
鈦絲驅動技術目前已經在航空航天、洲際導彈、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。
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下圖為采用TVS二極管和氣體放電管的ESD保護電路設計。
采用TVS二極管和氣體放電管的ESD保護電路設計
四、PCB布局中的ESD保護
1、優化 TVS 周圍的阻抗
所有 PCB 元件和走線都有寄生電感。
硬件工程師的很多項目是在洞洞板上完成的，但有存在不小心將電源正負極接反的現象，導致很多電子元器件都燒毀，甚至整塊板子都廢掉，還得再焊接一塊，不知道有什么好的辦法可以解決？
首先粗心不可避免，雖說只是區分正負極兩根線，一紅一黑，可能接線一次，我們不會出錯；接10次線也不會出錯，但是
