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防护等级提升,新一代电路保护器件蓄势待发

电子行业的发展瞬息万变,随着国内工业及通信电子产品的规格升级,行业规范日益严苛,也更突显出器件在应用上的重要性。然而,在功率密度增大、器件小型化、保护要求及时准确精细、防范等级提高等一系列看似矛盾的综合要求下,使得电路保护方案在开发上遇到了空前的挑战,亟需供应厂商能够借助新材料、新工艺,以及丰富的防护经验,对不同行业用户的新要求做出更迅速的响应。

 

在市场供应方面,近年市场参与者的剧增,令竞争越来越激烈,有厂商反映,电路保护产品的价格自去年第二季开始快速下滑,甚至某些产品的价位已经比去年年初降低了30%左右。也有厂商表示,对于低端或消费类电子产品的,其价格由于受到市场竞争和用户成本控管的压力,正步入降价轨道;但那些适用于高端应用领域的保护器件则仍可保有价格上的优势。

 

 

《国际电子商情》SCHURTER公司亚太区总裁Kevin Turner
SCHURTER公司亚太区总裁Kevin Turner

 

电路保护器件正经历着一次技术上全面升级的考验。用Kevin Turner的话来说,今后10年内, 新一代的电路保护元器件(第五代)将不仅仅考虑到节能与环保设计等需求,还要在实现微型化的同时,将被动保护与主动在线监控有机地结合在一起,各种全新的过流、过压及抗干扰保护方案和具有高可靠性的智能保护模块将不断出现在市场上。

 

市场呈现多元化应用需求

 

从市场的整体需求来看,无论是消费电子、还是工业领域,当前各种新的应用趋势都触发了对新一代高性价比的电路保护元器件的开发热潮。例如,在消费类电子中,4G LTE移动通信、家用计算机视频一体化、网络化智能办公设备、车载无线网络、绿色家电等;在工业应用中,再生能源及储能系统、智能医疗电子、高清视频监控、高速轨道交通、电动汽车、工业自动控制、直流通信配电系统及航空航天等,这些新兴发展都为电路保护器件的开发提供了一片广阔的天地,同时市场的应用需求也呈现出多样化的特点。

 

 

《国际电子商情》TDK集团成员“爱普科斯(上海)产品有限公司”大中华区保护器件市场技术经理田路群
TDK集团成员“爱普科斯(上海)产品有限公司”大中华区保护器件市场技术经理田路群

 

大中华区保护器件市场技术经理田路群进一步分析道:“就通信领域而言,从传统的固网传输到当今FTTH的衍变,线卡线路保护逐渐从中心机房转移至户外,这也使得电路保护等级的提升成为必然。”据了解,目前爱普科斯在通信数据线保护应用的气体放电管(GDT)、陶瓷PTC等产品线上都占据着较大的市场份额,随着中国电信市场4KV需求的增长,爱普科斯推出了表面贴装小型化的GDT板级方案及4KV PTC(表面贴装或插件式),分别配合相应的器件来满足ITU-K20/21/45的10/700μs 4KV雷击的远端防护,以替代原先1.5KV的基本防护需求。其中,爱普科斯提供的SMD表面贴装型气体放电管在RS485、以太网和交流电源线路应用中受到了众多工程师的欢迎,可为客户提供20KA级、尺寸为8×6mm的重型表面贴装气体放电管,以及适用于数据线保护的EIA 1206尺寸的小型表面贴装气体放电管。另外,爱普科斯通过材料研究和技术革新,研发出采用铜浆技术、高性价比的圆片形压敏电阻,该产品被广泛用于AC电源线的浪涌保护环节。

 

值得一提的是,包括可再生能源、智能电网,以及等新型市场对于电路保护器件的需求也正处于迅速的兴起之中,但普遍来说,这些领域对于产品的准入要求也更高。例如在专业性较强的汽车电子领域中,由于系统日趋复杂,且工作条件比一般的电子产品更为恶劣,可靠性要求也更高,导致汽车电子线路对过电流和过电压保护元件的需求趋势增多,而要把产品导入到客户的采购清单中,就必须要具备各种严格的资质认证。

 

田路群介绍道,除了ISO9001、ISO14001、ISO/TS16949等标准认证外,厂商还必须争取获得CE、UL、CSA、VDE等认证,这相应地也增加了进入该市场的“门槛”。爱普科斯的保护元件以陶瓷半导体技术和陶瓷真空技术为基础,并且不断推动技术创新,其气体放电管、压敏电阻、多层压敏电阻和PTC/NTC热敏电阻等产品均已拥有ISO/TS16949认证,且众多已获得AEC-Q200资格认证的汽车级保护器件(如汽车级表面贴装型负温度系数热敏电阻、E系列贴片压敏、正温度系数热敏电阻等)也已被世界范围内的顶级制造商所广泛采用。此外,在电动汽车领域上,作为欧洲柴油引擎市场中的自保护加热器应用的领先供应商,爱普科斯还推出了R249系列产品,插入高度只有2mm,可满足击穿电压高达900伏的应用需求

解决高速数据传输难题

 

现阶段,越来越多高速数据传输的应用需求突显,相应地也对这类设备的直流电源系统、 功率控制单元、I/O接口IC等部位提出了更高的防护要求。中国区业务总经理林建成认为,这些应用对自身电路以及周边电路都带来了许多新的问题,如:在电路保护中要求保护器件不能影响数据传输的质量和距离,因此要有极好的插入损耗和回波损耗性能;另一方面也要求自身不能影响周边电路的正常工作,这就要求保护期间能够做到较好的EMI/EMC效果,另外保护器件的小型化、集成化也是必要的一个条件。

 

田路群也同样指出,就高频数据传输的数据完整性而言,的电容值是至关重要的特性,同时更高等级的ESD冲击电压和更低的保护残压对ESD保护器件也提出了新的要求。近期,爱普科斯推出了紧凑设计的CeraDiode系列产品,采用EIA0201尺寸生产,且凭借独有的微核技术,创造出了和传统陶瓷半导体材料截然不同的新材料。CeraDiode系列产品的ESD保护高达25KV,钳位电压低于100V/8KV(符合IEC-61000-4-2),典型低容值小于3pF。较好的性能和较低的成本使其成为瞬态电压抑制(TVS)二极管的理想替代品,可广泛应用于智能手机、平板电脑USB 2.0、IEEE 1394、数字视频接口(DVI)和天线开关的输入/输出端口的ESD保护中。

 

针对典型的高清视频监控应用,相关技术人员介绍道,高清视频监控系统意味着元器件必须具有两项基本特色,一是要有高速数据处理能力,二是有大容量的数据储存能力。不管是影像撷取元器件、图像处理元器件、影像传输元器件、影像显示元器件、以及影像储存元器件都必须具备高速的数据处理能力;而当元器件高速化后,也使得元器件很容易受外界的噪声干扰,如ESD、浪涌等瞬时噪声,因此开发适合高清视频监控系统使用的ESD/浪涌防护元器件是主要的技术方向之一。

封装技术朝微小化迈进

 

便携式电子产品可以说是最近几年电子制造业中最主要的增长点,在各类设备趋向于轻、小、薄、巧的设计思路下,电路保护器件在性能指标,特别是在封装规格上也出现了新的技术开发动向。

 

“时至今日,器件的发展仍是主要针对高速传输I/O接口,”另一技术专家表示:“针对便携式电子产品,如智能手机、GPS导航仪、或穿戴式电子设备等,随着这类产品薄型化及小型化发展特征日益明显,除了在等校电容等电器性能上提出更为严格的要求之外,目前最大的问题在于对微小化封装技术的突破。”

 

田路群也指出,纵观目前的终端产品市场,高密度PCB板的应用日益增涨,越来越多的需求聚焦在更小的占位面积上提供更新、更全的保护功能,同时另一个显著的变化是电路保护元件在结构方面从传统的引线式元件向表面安装设计转变。例如,表面贴装型级联气体放电管LN8以及高浪涌多层压敏电阻CN2220组合解决方案,可为客户DC 48V电压应用提供20KA板级浪涌保护,插入高度小于10mm,整个方案可节约50%以上的占板空间,能提供最小20KA板级保护方案,适用于基站RRU设备小型化的应用需求。

完善的保护方案成为必须

 

当前,电路保护行业的另一个发展特征是,伴随着中国制造业产业升级的逐步深化,厂商们正积极地将更多的创新技术,以及高品质的产品推向国际市场,为此,他们迫切需要在中国市场上寻找到能提供各种完整的电路保护解决方案和专业化技术支持的供应厂商。对于众多的电路保护厂商来说,竞争的一个焦点体现在是否能够提供一整套的电路保护器件方案上。

延伸阅读:HDMI 1.4端口电路防护方案新趋势

 

 

《国际电子商情》晶焱科技股份有限公司设计研发副总经理姜信钦
晶焱科技股份有限公司设计研发副总经理姜信钦

 

随着高速影音数字HDMI端口的日益普及,以及使用者热插入HDMI连接线的次数增加,使得HDMI端口遭受到ESD静电放电损伤的机会大幅提升,因此,应用在HDMI端口的ESD保护组件在目前已经成为标准配备。为了满足HDMI高速传输的要求,当前的HDMI接收发IC都是使用最先进的制造工艺来设计与制造,IC中的组件也就相对地较为脆弱,非常容易遭受ESD静电放电的损伤,HDMI端口对于ESD保护组件的规格要求也较高。目前HDMI已经推出1.4版的规格,并朝着支持3D应用及4K×2K高分辨率方向迈进;与HDM1 1.3规格相比,更高传输速度的信号对于ESD保护组件所造成的电容性负载将更为严苛。此外,HDMI 1.4规格中还追加了以太网络传输通道(HDMI Ethernet Channel)以及音频回授通道(Audio Return Channel)支持,这些应用也需要ESD保护组件来做防护。

 

为了适应HDMI 1.4端口的技术要求,ESD防护组件必须要同时符合三项条件:第一、ESD防护组件接脚本身的寄生电容必须要小,为了不影响到HDMI 1.4的3Gbps传输速率,其寄生电容必须小于0.5pF;第二、ESD防护组件本身对ESD放电的耐受能力必须要高,最少要能承受IEC 61000-4-2接触模式下8KV的ESD轰击;第三、也是最重要的,ESD防护组件在ESD事件发生期间所提供的钳位电压必须要足够低,不能造成传输数据的损坏。以上三项要求缺一不可,只要缺少一条,HDMI 1.4端口就无法被完善地保护。但实际上,要同时都能满足以上三项要求的ESD防护组件,其本身的设计难度就相当高。

 

除此之外,移动通信设备的静电防护方案也值得关注。移动通信设备内部使用的IC零件都是用先进半导体工艺设计制造的,对于静电放电越来越敏感,而传统的静电放电防护装置所使用的防护零件一般都使用的是陶瓷材质,因此其防护性能无法配合IC特性的改变而演变,进而也容易丧失保护功能。因此,改用同样是以IC制造工艺设计的TVS Array防护零件,保护效果才会更好。但这需要系统设计者花时间来熟悉使用这种TVS Array,来做静电放电防护设计。较有效、也是较省成本的方式是采用TVS Array防护零件,设计出静电放电防护线路,通过选择钳位电压低、封装小的TVS Array防护零件,可以让移动通信设备在运作中免受静电放电所产生的噪声,进何不受到影响。由此可见,钳位电压低、封装小的TVS Array的使用机会将会大举上升,设计出符合手持电子产品内部线路工作电压(如3.3V、2.5V、1.8V、1.2V等)的钳位电压性能会是必须的要求,也是设计TVS Array的技术挑战所在。


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