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信息時代的每次革命都使人類的生活發生巨大改變。物聯網（The Internet of things）作為新興的信息變革，已經成為現今整個信息化產業的新寵和發展方向。物聯網就是物物相連的互聯網，即通過各類物體內帶的射頻識別（RFID）、傳感器、二維碼等，經過接口與無線網絡相連，從而給物體賦予“智能”，可實現人與物體的互動，也可以實現物體與物體相互溝通和對話，這種將物體聯接起來的網絡被稱為“物聯網”。

 

 

物聯網本身的結構復雜，主要包括三大部分：首先是感知層，它承擔信息的采集，可以應用的技術包括智能卡、RFID電子標簽、識別碼、傳感器等；其次是網絡層，承擔信息的傳輸，借用現有的無線網、移動網、固聯網、互聯網、廣電網等即可實現；第三是應用層，實現物與物之間，人與物之間的識別與感知，發揮智能作用。

 

感知層解決的是人類世界和物理世界的數據獲取問題，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似。它首先通過傳感器、攝像頭、RFID等設備，采集外部物理世界的數據，然后通過藍牙、wifi、3G等技術傳遞數據到網絡。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

 

物聯網感知層眾多設備已經在警務執法、大型商業企業、連鎖專賣店、快銷商品銷售、醫療護理、工廠流水線、物流、酒店餐飲、會展中心、公共交通等領域得到廣泛應用。由于使用的場合條件比較復雜和惡劣，對產品壽命和可靠性要求都很高。在設計上，廠家必須做好完善的電路保護措施，才能最大限度滿足用戶的可靠性和穩定性需求。

 

從設計的角度來看，設計師必須考慮到各種不同狀況的意外的發生，然后在不同的接口上安裝保護器件。本文接下來將會以一個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境非常復雜，用戶可能會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。諸如此類的事件將會損壞設備的電源管理芯片。

 

對于可能發生的過壓和浪涌事件，設計廠家多采用過壓保護集成電路或TVS管來實現保護。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功能。而TVS管雖然可以實現浪涌防護，但是在處于長時間過壓狀態時不能進行有效保護。最理想的情況是把長時間過壓和浪涌防護結合起來，在一個器件上實現。

 

TE Connectivity公司電路保護部門的PolyZen產品能夠同時提供過壓、浪涌、過流、過溫、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，其可靠性已經在各種手持和車載多媒體設備中得到了驗證。

 

當過壓故障條件發生時，箝位二極管被擊穿后，它的溫度將會隨著時間的推移不斷上升，如果故障沒有消除，或者有較長時間的過壓故障脈沖加載在電路上，這時選用小功率的TVS器件不能進行有效保護，需要大功率的TVS器件來保護后端電子電路，而大功率的TVS器件意味著更昂貴的價格，以及更大的封裝尺寸。TE公司的PolyZen器件中集成的PPTC能夠快速有效的進行過流過熱保護，在故障發生時，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本身又是一個熱敏元件，它可以在很短的時間內動作，成為高阻狀態，這樣整個電路的電流就被限流，而故障電壓會由PPTC和齊納管來共同承受，齊納管也就得到了很好的保護。PPTC可以長時間的承受故障電壓，使PolyZen可以勝任一個長時間的持續過壓過流保護。PolyZen器件的這個獨特性能，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間過壓保護。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

 

物聯網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，SESD可以加在軟板導線出現的連接器位置，以有效防護經由連接器產生的ESD靜電。另外在終端使用時會有來自觸控面板邊緣屏蔽層的ESD風險，因此在屏蔽層與接地線之間也應該安裝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。電源線和地之間采用單顆SESD形式，其它端口則采用SESD陣列來保護。

 

二、GPS、RF天線部分。

在自然環境中的雷電或是人體及環境中的ESD，都有機會通過RF和GPS天線放電進入到設備中，從而造成天線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元件才適用于天線部分ESD防護。在PCB設計時SESD元件應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，有效地實現防護。

 

三、按鍵部分。

由于使用者需要直接接觸這些實體按鍵進行操作，而實體按鍵的間隙經常會出現 ESD現象。設計時SESD元件應盡量放到靠近按鍵接點附近，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，有效地實現防護。

 

四、用戶接口部分，如USB接口、SIM卡、TF卡等。

用戶會經常操作這些接口，每次插拔都會帶來ESD問題，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陣列即可進行防護。

 

針對低電容和超小封裝的SESD業界趨勢，TE公司提供了一系列的產品供設計工程師選擇使用，TE公司實現了最小的電容（0.1pF）和最小封裝，表1是TE公司SESD低電容產品。

表1 TE公司SESD低電容產品