便携式电子产品对电路保护的要求包括电路响应时间短、功耗小、需要满足对环境的要求。下面,分别从过流保护、过压保护和过流、过压保护三方面来论述便携式医疗电子产品所采用的保护方案。
过流保护元件是一种非线性正温度系数热敏电阻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,如瑞侃电子的PolySwitchTM元件。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。
便携式医疗电子产品也常常需要充电,充电的保护也可以通过PolySwitchTM元件完成。下图就是充电器中PolySwitchTM元件的应用。虚线框内是电池组,PolySwitchTM元件在其中作充、放电过流保护。
过压保护元器件并联在被保护的电路上(见下图)。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。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。
MLV、PESD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。
现在,市场上已经开始出现通过便携式医疗电子终端直接实现视频会话和虚拟诊疗的方案。对于以触摸屏为主要的人机交互界面,同时需要传输告诉的音视频信号的应用场合来说,需要在实现ESD保护的同时满足信号传输质量。在电脑、手机中使用的PESD产品也将大量应用在便携式医疗电子产品中。PESD的抑制特性如下:
过流过压保护方面,瑞侃电子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。内部结构如下图所示。
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,如下图所示。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。
此外,可以用作过压保护的还包括:
变阻器:金属氧化物变阻器(MOV)是一种电压钳位元件,如电压超过阀值则其阻抗将变得非常小。MOV具有高度非线性电压阻抗(V-I)特性,反应速度快,能承受很高峰值电流,待机状态下漏 泄电流又较低。其主要应用是保护那些必须满足“瞬态电压浪涌抑制器”UL1449所列要求的产品免受雷电损害,经常会用在便携式医疗设备中。
ESD抑制器:高密度电路都很容易受到静电或ESD的侵害。因此要求许多新的电子设备必须满足IEC61000-4-2标准。静电(ESD)抑制器的聚合物结构使得制造商可生产出各种形状因子和配置的ESD抑制器,以满足各种不同应用的需要。该器件具有小于IPF的电容,可提供良好的限制信号降级和衰减的性能,以保证高速数据能正常工作。
便携式医疗电子产品大多使用电池组。随着多功能保护IC的出现,电池组设计人员也将研究重点转向采用单个多功能保护器件的安全应用。随着市场越来越多地依赖保护IC,对电路来说ESD 保护也变得非常关键。虽然IC很容易整合多种功能,但它们容易受到ESD和热过载的影响。分立二极管、多层变阻器或基于聚合物的ESD解决方案对保护IC的ESD结构进行了有效补充,提供最高至15kv的ESD保护。
除了ESD,保护IC还容易受到长时间过载条件下的热应力影响。由于IC的击穿特性,因此有可能存在一种故障模式,即电路在安全工作限制之外仍能正常工作。随着对多功能保护IC依赖的增强,保险丝保护方案仅用于冗余保护。
在降低下一代便携式应用系统成本和尺寸的设计趋势下,设计人员正致力于用多功能保护IC来替代多个分立元件。为继续保持用户期待的高级别安全性,电池组设计人员正在用多功能保护IC实现的简单电路取代功能差不多的ESD和保险丝保护。这可使设计人员在降低整体系统成本的同时,继续保持便携式医疗设备用户期待的安全保护性能。 |