信息時(shí)代的每次革命都使人類(lèi)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(guò)各類(lèi)物體內帶的射頻識別（RFID）、傳感器、二維碼等，經(jīng)過(guò)接口與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相連，從而給物體賦予“智能”，可實(shí)現人與物體的互動(dòng)，也可以實(shí)現物體與物體相互溝通和對話(huà)，這種將物體聯(lián)接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò )被稱(chēng)為“物聯(lián)網(wǎng)”。

 

 

物聯(lián)網(wǎng)本身的結構復雜，主要包括三大部分：首先是感知層，它承擔信息的采集，可以應用的技術(shù)包括智能卡、RFID電子標簽、識別碼、傳感器等；其次是網(wǎng)絡(luò )層，承擔信息的傳輸，借用現有的無(wú)線(xiàn)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；第三是應用層，實(shí)現物與物之間，人與物之間的識別與感知，發(fā)揮智能作用。

 

感知層解決的是人類(lèi)世界和物理世界的數據獲取問(wèn)題，主要功能是識別物體、采集信息，與人體結構中皮膚和五官的作用類(lèi)似。它首先通過(guò)傳感器、攝像頭、RFID等設備，采集外部物理世界的數據，然后通過(guò)藍牙、wifi、3G等技術(shù)傳遞數據到網(wǎng)絡(luò )。圖1是多功能手持終端的框架結構示意圖。

圖1 多功能手持終端框架結構示意圖

 

物聯(lián)網(wǎng)感知層眾多設備已經(jīng)在警務(wù)執法、大型商業(yè)企業(yè)、連鎖專(zhuān)賣(mài)店、快銷(xiāo)商品銷(xiāo)售、醫療護理、工廠(chǎng)流水線(xiàn)、物流、酒店餐飲、會(huì )展中心、公共交通等領(lǐng)域得到廣泛應用。由于使用的場(chǎng)合條件比較復雜和惡劣，對產(chǎn)品壽命和可靠性要求都很高。在設計上，廠(chǎng)家必須做好完善的電路保護措施，才能最大限度滿(mǎn)足用戶(hù)的可靠性和穩定性需求。

 

從設計的角度來(lái)看，設計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器件。本文接下來(lái)將會(huì )以一個(gè)多功能手持終端為例，闡述如何使用保護器件。

 

穩定的電源是設備正常運行的最基本條件，然而電源接口的使用環(huán)境非常復雜，用戶(hù)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，導致一個(gè)低電壓供電的設備被錯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(guò)程中，由于感應雷的原因，造成適配器輸出端出現非常高的浪涌電壓。諸如此類(lèi)的事件將會(huì )損壞設備的電源管理芯片。

 

對于可能發(fā)生的過(guò)壓和浪涌事件，設計廠(chǎng)家多采用過(guò)壓保護集成電路或TVS管來(lái)實(shí)現保護。集成電路的OVP方案雖然可以解決過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題，但是卻沒(méi)有浪涌防護功能。而TVS管雖然可以實(shí)現浪涌防護，但是在處于長(cháng)時(shí)間過(guò)壓狀態(tài)時(shí)不能進(jìn)行有效保護。最理想的情況是把長(cháng)時(shí)間過(guò)壓和浪涌防護結合起來(lái)，在一個(gè)器件上實(shí)現。

 

TE Connectivity公司電路保護部門(mén)的PolyZen產(chǎn)品能夠同時(shí)提供過(guò)壓、浪涌、過(guò)流、過(guò)溫、ESD靜電保護以及防電源反接保護功能，并且能提供比分離的可恢復保險絲（PPTC）和穩壓管/TVS管組合電路更高的性能、更多的保護功能以及更小的體積，其可靠性已經(jīng)在各種手持和車(chē)載多媒體設備中得到了驗證。

 

當過(guò)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(zhù)時(shí)間的推移不斷上升，如果故障沒(méi)有消除，或者有較長(cháng)時(shí)間的過(guò)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，需要大功率的TVS器件來(lái)保護后端電子電路，而大功率的TVS器件意味著(zhù)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(guò)流過(guò)熱保護，在故障發(fā)生時(shí)，齊納管溫度上升，由于齊納管和PPTC獨特的熱耦合特性，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(lái)共同承受，齊納管也就得到了很好的保護。PPTC可以長(cháng)時(shí)間的承受故障電壓，使PolyZen可以勝任一個(gè)長(cháng)時(shí)間的持續過(guò)壓過(guò)流保護。PolyZen器件的這個(gè)獨特性能，使得它能夠以較小的封裝尺寸來(lái)承受較大能量的浪涌和長(cháng)時(shí)間過(guò)壓保護。圖2是PolyZen器件原理結構圖。圖3是PolyZen器件典型輸入接口保護電路的電氣原理圖。

圖3 典型輸入端口保護電路中的PolyZen器件

 

物聯(lián)網(wǎng)感知層設備也同樣需要靜電放電（ESD）保護，下面是需要保護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設計時(shí)，SESD可以加在軟板導線(xiàn)出現的連接器位置，以有效防護經(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(lái)自觸控面板邊緣屏蔽層的ESD風(fēng)險，因此在屏蔽層與接地線(xiàn)之間也應該安裝SESD器件，一方面用以避免信號干擾，另一方面可有效箝制電路系統電壓。電源線(xiàn)和地之間采用單顆SESD形式，其它端口則采用SESD陣列來(lái)保護。

 

二、GPS、RF天線(xiàn)部分。

在自然環(huán)境中的雷電或是人體及環(huán)境中的ESD，都有機會(huì )通過(guò)RF和GPS天線(xiàn)放電進(jìn)入到設備中，從而造成天線(xiàn)接收端的電子元件損壞。由于 RF信號對電容值非常敏感，0.3pF以下電容值的SESD元件才適用于天線(xiàn)部分ESD防護。在PCB設計時(shí)SESD元件應盡量放到靠近天線(xiàn)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)現防護。

 

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 ESD現象。設計時(shí)SESD元件應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)現防護。

 

四、用戶(hù)接口部分，如USB接口、SIM卡、TF卡等。

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

 

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)品供設計工程師選擇使用，TE公司實(shí)現了最小的電容（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