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信息時(shí)代的每次革命都使人類的生活發(fā)生巨大改變。物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）作為新興的信息變革，已經(jīng)成為現(xiàn)今整個(gè)信息化產(chǎn)業(yè)的新寵和發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，即通過各類物體內(nèi)帶的射頻識(shí)別（RFID）、傳感器、二維碼等，經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡(luò)相連，從而給物體賦予“智能”，可實(shí)現(xiàn)人與物體的互動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)物體與物體相互溝通和對話，這種將物體聯(lián)接起來的網(wǎng)絡(luò)被稱為“物聯(lián)網(wǎng)”。

 

 

物聯(lián)網(wǎng)本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括三大部分：首先是感知層，它承擔(dān)信息的采集，可以應(yīng)用的技術(shù)包括智能卡、RFID電子標(biāo)簽、識(shí)別碼、傳感器等；其次是網(wǎng)絡(luò)層，承擔(dān)信息的傳輸，借用現(xiàn)有的無線網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、固聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)等即可實(shí)現(xiàn)；第三是應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)物與物之間，人與物之間的識(shí)別與感知，發(fā)揮智能作用。

 

感知層解決的是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題，主要功能是識(shí)別物體、采集信息，與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用類似。它首先通過傳感器、攝像頭、RFID等設(shè)備，采集外部物理世界的數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙、wifi、3G等技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)。圖1是多功能手持終端的框架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 多功能手持終端框架結(jié)構(gòu)示意圖

 

物聯(lián)網(wǎng)感知層眾多設(shè)備已經(jīng)在警務(wù)執(zhí)法、大型商業(yè)企業(yè)、連鎖專賣店、快銷商品銷售、醫(yī)療護(hù)理、工廠流水線、物流、酒店餐飲、會(huì)展中心、公共交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于使用的場合條件比較復(fù)雜和惡劣，對產(chǎn)品壽命和可靠性要求都很高。在設(shè)計(jì)上，廠家必須做好完善的電路保護(hù)措施，才能最大限度滿足用戶的可靠性和穩(wěn)定性需求。

 

從設(shè)計(jì)的角度來看，設(shè)計(jì)師必須考慮到各種不同狀況的意外的發(fā)生，然后在不同的接口上安裝保護(hù)器件。本文接下來將會(huì)以一個(gè)多功能手持終端為例，闡述如何使用保護(hù)器件。

 

穩(wěn)定的電源是設(shè)備正常運(yùn)行的最基本條件，然而電源接口的使用環(huán)境非常復(fù)雜，用戶可能會(huì)遇到以下這幾種情況：由于較多的適配器在一起使用，導(dǎo)致一個(gè)低電壓供電的設(shè)備被錯(cuò)誤接到了高電壓的適配器上，甚至接口極性接反；或者在正常的充電過程中，由于感應(yīng)雷的原因，造成適配器輸出端出現(xiàn)非常高的浪涌電壓。諸如此類的事件將會(huì)損壞設(shè)備的電源管理芯片。

 

對于可能發(fā)生的過壓和浪涌事件，設(shè)計(jì)廠家多采用過壓保護(hù)集成電路或TVS管來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。集成電路的OVP方案雖然可以解決過壓問題，但是卻沒有浪涌防護(hù)功能。而TVS管雖然可以實(shí)現(xiàn)浪涌防護(hù)，但是在處于長時(shí)間過壓狀態(tài)時(shí)不能進(jìn)行有效保護(hù)。最理想的情況是把長時(shí)間過壓和浪涌防護(hù)結(jié)合起來，在一個(gè)器件上實(shí)現(xiàn)。

 

TE Connectivity公司電路保護(hù)部門的PolyZen產(chǎn)品能夠同時(shí)提供過壓、浪涌、過流、過溫、ESD靜電保護(hù)以及防電源反接保護(hù)功能，并且能提供比分離的可恢復(fù)保險(xiǎn)絲（PPTC）和穩(wěn)壓管/TVS管組合電路更高的性能、更多的保護(hù)功能以及更小的體積，其可靠性已經(jīng)在各種手持和車載多媒體設(shè)備中得到了驗(yàn)證。

 

當(dāng)過壓故障條件發(fā)生時(shí)，箝位二極管被擊穿后，它的溫度將會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷上升，如果故障沒有消除，或者有較長時(shí)間的過壓故障脈沖加載在電路上，這時(shí)選用小功率的TVS器件不能進(jìn)行有效保護(hù)，需要大功率的TVS器件來保護(hù)后端電子電路，而大功率的TVS器件意味著更昂貴的價(jià)格，以及更大的封裝尺寸。TE公司的PolyZen器件中集成的PPTC能夠快速有效的進(jìn)行過流過熱保護(hù)，在故障發(fā)生時(shí)，齊納管溫度上升，由于齊納管和PPTC獨(dú)特的熱耦合特性，齊納管的溫度能夠馬上傳遞到PPTC本體，PPTC本身又是一個(gè)熱敏元件，它可以在很短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，成為高阻狀態(tài)，這樣整個(gè)電路的電流就被限流，而故障電壓會(huì)由PPTC和齊納管來共同承受，齊納管也就得到了很好的保護(hù)。PPTC可以長時(shí)間的承受故障電壓，使PolyZen可以勝任一個(gè)長時(shí)間的持續(xù)過壓過流保護(hù)。PolyZen器件的這個(gè)獨(dú)特性能，使得它能夠以較小的封裝尺寸來承受較大能量的浪涌和長時(shí)間過壓保護(hù)。圖2是PolyZen器件原理結(jié)構(gòu)圖。圖3是PolyZen器件典型輸入接口保護(hù)電路的電氣原理圖。

圖3 典型輸入端口保護(hù)電路中的PolyZen器件

 

物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備也同樣需要靜電放電（ESD）保護(hù)，下面是需要保護(hù)的一些模塊或者接口。

 

一、觸控面板模組。

觸控面板是用手指去碰觸的，極易受ESD干擾。PCB設(shè)計(jì)時(shí)，SESD可以加在軟板導(dǎo)線出現(xiàn)的連接器位置，以有效防護(hù)經(jīng)由連接器產(chǎn)生的ESD靜電。另外在終端使用時(shí)會(huì)有來自觸控面板邊緣屏蔽層的ESD風(fēng)險(xiǎn)，因此在屏蔽層與接地線之間也應(yīng)該安裝SESD器件，一方面用以避免信號(hào)干擾，另一方面可有效箝制電路系統(tǒng)電壓。電源線和地之間采用單顆SESD形式，其它端口則采用SESD陣列來保護(hù)。

 

二、GPS、RF天線部分。

在自然環(huán)境中的雷電或是人體及環(huán)境中的ESD，都有機(jī)會(huì)通過RF和GPS天線放電進(jìn)入到設(shè)備中，從而造成天線接收端的電子元件損壞。由于 RF信號(hào)對電容值非常敏感，0.3pF以下電容值的SESD元件才適用于天線部分ESD防護(hù)。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)SESD元件應(yīng)盡量放到靠近天線的附近，利用其比前端元件較低的箝制電壓及耐高突波電流的特性，有效地實(shí)現(xiàn)防護(hù)。

 

三、按鍵部分。

由于使用者需要直接接觸這些實(shí)體按鍵進(jìn)行操作，而實(shí)體按鍵的間隙經(jīng)常會(huì)出現(xiàn) ESD現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時(shí)SESD元件應(yīng)盡量放到靠近按鍵接點(diǎn)附近，利用其比前端按鍵控制IC元件較低的箝制電壓及耐高突變電流的特性，有效地實(shí)現(xiàn)防護(hù)。

 

四、用戶接口部分，如USB接口、SIM卡、TF卡等。

用戶會(huì)經(jīng)常操作這些接口，每次插拔都會(huì)帶來ESD問題，所以需要采用必要的ESD防護(hù)，USB接口速率很快，所以要求在加SESD保護(hù)后必須保持信號(hào)完整性，TE公司的低電容SESD器件可以進(jìn)行USB端口保護(hù)。對于SIM卡和TF卡接口，由于信號(hào)速率并不高，所以使用普通電容的SESD陣列即可進(jìn)行防護(hù)。

 

針對低電容和超小封裝的SESD業(yè)界趨勢，TE公司提供了一系列的產(chǎn)品供設(shè)計(jì)工程師選擇使用，TE公司實(shí)現(xiàn)了最小的電容（0.1pF）和最小封裝，表1是TE公司SESD低電容產(chǎn)品。

表1 TE公司SESD低電容產(chǎn)品