電子行業(yè)的發(fā)展瞬息萬(wàn)變,隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)及通信電子產(chǎn)品的規(guī)格升級(jí),行業(yè)規(guī)范日益嚴(yán)苛,也更突顯出電路保護(hù)器件在應(yīng)用上的重要性。然而,在功率密度增大、器件小型化、保護(hù)要求及時(shí)準(zhǔn)確精細(xì)、防范等級(jí)提高等一系列看似矛盾的綜合要求下,使得電路保護(hù)方案在開發(fā)上遇到了空前的挑戰(zhàn),亟需供應(yīng)廠商能夠借助新材料、新工藝,以及豐富的防護(hù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)不同行業(yè)用戶的新要求做出更迅速的響應(yīng)。
在市場(chǎng)供應(yīng)方面,近年市場(chǎng)參與者的劇增,令競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈,有廠商反映,電路保護(hù)產(chǎn)品的價(jià)格自去年第二季開始快速下滑,甚至某些產(chǎn)品的價(jià)位已經(jīng)比去年年初降低了30%左右。也有廠商表示,對(duì)于低端或消費(fèi)類電子產(chǎn)品的電路保護(hù)器件,其價(jià)格由于受到市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和用戶成本控管的壓力,正步入降價(jià)軌道;但那些適用于高端應(yīng)用領(lǐng)域的保護(hù)器件則仍可保有價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。
 SCHURTER公司亞太區(qū)總裁Kevin Turner |
電路保護(hù)器件正經(jīng)歷著一次技術(shù)上全面升級(jí)的考驗(yàn)。用SCHURTER公司亞太區(qū)總裁Kevin Turner的話來(lái)說(shuō),今后10年內(nèi), 新一代的電路保護(hù)元器件(第五代)將不僅僅考慮到節(jié)能與環(huán)保設(shè)計(jì)等需求,還要在實(shí)現(xiàn)微型化的同時(shí),將被動(dòng)保護(hù)與主動(dòng)在線監(jiān)控有機(jī)地結(jié)合在一起,各種全新的過(guò)流、過(guò)壓及抗干擾保護(hù)方案和具有高可靠性的智能保護(hù)模塊將不斷出現(xiàn)在市場(chǎng)上。
市場(chǎng)呈現(xiàn)多元化應(yīng)用需求
從市場(chǎng)的整體需求來(lái)看,無(wú)論是消費(fèi)電子、還是工業(yè)領(lǐng)域,當(dāng)前各種新的應(yīng)用趨勢(shì)都觸發(fā)了對(duì)新一代高性價(jià)比的電路保護(hù)元器件的開發(fā)熱潮。例如,在消費(fèi)類電子中,4G LTE移動(dòng)通信、家用計(jì)算機(jī)視頻一體化、網(wǎng)絡(luò)化智能辦公設(shè)備、車載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、綠色家電等;在工業(yè)應(yīng)用中,再生能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能醫(yī)療電子、高清視頻監(jiān)控、高速軌道交通、電動(dòng)汽車、工業(yè)自動(dòng)控制、直流通信配電系統(tǒng)及航空航天等,這些新興發(fā)展都為電路保護(hù)器件的開發(fā)提供了一片廣闊的天地,同時(shí)市場(chǎng)的應(yīng)用需求也呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)。
 TDK集團(tuán)成員“愛(ài)普科斯(上海)產(chǎn)品有限公司”大中華區(qū)保護(hù)器件市場(chǎng)技術(shù)經(jīng)理田路群 |
TDK集團(tuán)成員“愛(ài)普科斯(上海)產(chǎn)品有限公司”- 大中華區(qū)保護(hù)器件市場(chǎng)技術(shù)經(jīng)理田路群進(jìn)一步分析道:“就通信領(lǐng)域而言,從傳統(tǒng)的固網(wǎng)傳輸?shù)疆?dāng)今FTTH的衍變,線卡線路保護(hù)逐漸從中心機(jī)房轉(zhuǎn)移至戶外,這也使得電路保護(hù)等級(jí)的提升成為必然?!睋?jù)了解,目前愛(ài)普科斯在通信數(shù)據(jù)線保護(hù)應(yīng)用的氣體放電管(GDT)、陶瓷PTC等產(chǎn)品線上都占據(jù)著較大的市場(chǎng)份額,隨著中國(guó)電信市場(chǎng)4KV需求的增長(zhǎng),愛(ài)普科斯推出了表面貼裝小型化的GDT板級(jí)方案及4KV PTC(表面貼裝或插件式),分別配合相應(yīng)的器件來(lái)滿足ITU-K20/21/45的10/700μs 4KV雷擊的遠(yuǎn)端防護(hù),以替代原先1.5KV的基本防護(hù)需求。其中,愛(ài)普科斯提供的SMD表面貼裝型氣體放電管在RS485、以太網(wǎng)和交流電源線路應(yīng)用中受到了眾多工程師的歡迎,可為客戶提供20KA級(jí)、尺寸為8×6mm的重型表面貼裝氣體放電管,以及適用于數(shù)據(jù)線保護(hù)的EIA 1206尺寸的小型表面貼裝氣體放電管。另外,愛(ài)普科斯通過(guò)材料研究和技術(shù)革新,研發(fā)出采用銅漿技術(shù)、高性價(jià)比的圓片形壓敏電阻,該產(chǎn)品被廣泛用于AC電源線的浪涌保護(hù)環(huán)節(jié)。
值得一提的是,包括可再生能源、智能電網(wǎng),以及汽車電子等新型市場(chǎng)對(duì)于電路保護(hù)器件的需求也正處于迅速的興起之中,但普遍來(lái)說(shuō),這些領(lǐng)域?qū)τ诋a(chǎn)品的準(zhǔn)入要求也更高。例如在專業(yè)性較強(qiáng)的汽車電子領(lǐng)域中,由于系統(tǒng)日趨復(fù)雜,且工作條件比一般的電子產(chǎn)品更為惡劣,可靠性要求也更高,導(dǎo)致汽車電子線路對(duì)過(guò)電流和過(guò)電壓保護(hù)元件的需求趨勢(shì)增多,而要把產(chǎn)品導(dǎo)入到客戶的采購(gòu)清單中,就必須要具備各種嚴(yán)格的資質(zhì)認(rèn)證。
田路群介紹道,除了ISO9001、ISO14001、ISO/TS16949等標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證外,廠商還必須爭(zhēng)取獲得CE、UL、CSA、VDE等認(rèn)證,這相應(yīng)地也增加了進(jìn)入該市場(chǎng)的“門檻”。愛(ài)普科斯的保護(hù)元件以陶瓷半導(dǎo)體技術(shù)和陶瓷真空技術(shù)為基礎(chǔ),并且不斷推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新,其氣體放電管、壓敏電阻、多層壓敏電阻和PTC/NTC熱敏電阻等產(chǎn)品均已擁有ISO/TS16949認(rèn)證,且眾多已獲得AEC-Q200資格認(rèn)證的汽車級(jí)保護(hù)器件(如汽車級(jí)表面貼裝型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、E系列貼片壓敏、正溫度系數(shù)熱敏電阻等)也已被世界范圍內(nèi)的頂級(jí)制造商所廣泛采用。此外,在電動(dòng)汽車領(lǐng)域上,作為歐洲柴油引擎市場(chǎng)中的自保護(hù)加熱器應(yīng)用的領(lǐng)先供應(yīng)商,愛(ài)普科斯還推出了R249系列產(chǎn)品,插入高度只有2mm,可滿足擊穿電壓高達(dá)900伏的應(yīng)用需求。
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解決高速數(shù)據(jù)傳輸難題
現(xiàn)階段,越來(lái)越多高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用需求突顯,相應(yīng)地也對(duì)這類設(shè)備的直流電源系統(tǒng)、 功率控制單元、I/O接口IC等部位提出了更高的防護(hù)要求。美商柏恩(Bourns)公司中國(guó)區(qū)業(yè)務(wù)總經(jīng)理林建成認(rèn)為,這些應(yīng)用對(duì)自身電路以及周邊電路都帶來(lái)了許多新的問(wèn)題,如:在電路保護(hù)中要求保護(hù)器件不能影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和距離,因此要有極好的插入損耗和回波損耗性能;另一方面也要求自身不能影響周邊電路的正常工作,這就要求保護(hù)期間能夠做到較好的EMI/EMC效果,另外保護(hù)器件的小型化、集成化也是必要的一個(gè)條件。
田路群也同樣指出,就高頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整性而言,ESD保護(hù)器件的電容值是至關(guān)重要的特性,同時(shí)更高等級(jí)的ESD沖擊電壓和更低的保護(hù)殘壓對(duì)ESD保護(hù)器件也提出了新的要求。近期,愛(ài)普科斯推出了緊湊設(shè)計(jì)的CeraDiode系列產(chǎn)品,采用EIA0201尺寸生產(chǎn),且憑借獨(dú)有的微核技術(shù),創(chuàng)造出了和傳統(tǒng)陶瓷半導(dǎo)體材料截然不同的新材料。CeraDiode系列產(chǎn)品的ESD保護(hù)高達(dá)25KV,鉗位電壓低于100V/8KV(符合IEC-61000-4-2),典型低容值小于3pF。較好的性能和較低的成本使其成為瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管的理想替代品,可廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦USB 2.0、IEEE 1394、數(shù)字視頻接口(DVI)和天線開關(guān)的輸入/輸出端口的ESD保護(hù)中。
針對(duì)典型的高清視頻監(jiān)控應(yīng)用,晶焱科技股份有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)副總經(jīng)理姜信欽介紹道,高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)意味著元器件必須具有兩項(xiàng)基本特色,一是要有高速數(shù)據(jù)處理能力,二是有大容量的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力。不管是影像擷取元器件、圖像處理元器件、影像傳輸元器件、影像顯示元器件、以及影像儲(chǔ)存元器件都必須具備高速的數(shù)據(jù)處理能力;而當(dāng)元器件高速化后,也使得元器件很容易受外界的噪聲干擾,如ESD、浪涌等瞬時(shí)噪聲,因此開發(fā)適合高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用的ESD/浪涌防護(hù)元器件是主要的技術(shù)方向之一。據(jù)介紹,晶焱目前針對(duì)高清視頻圖像解決方案可提供三類電路保護(hù)器件產(chǎn)品,一是具有防ESD功能的HDMI Switch;二是ESD保護(hù)元器件TVS Array產(chǎn)品,例如0.3pF/0.5pF高速影像接口的TVS Array,以及僅為0402小型封裝但可直接提供兩路信號(hào)線防護(hù),且電容值僅為0.55pf的器件產(chǎn)品;三是浪涌保護(hù)元器件TVS Array產(chǎn)品,其特色為可保護(hù)整個(gè)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容不受外界噪聲的干擾,達(dá)到高清監(jiān)控的目的。
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封裝技術(shù)朝微小化邁進(jìn)
便攜式電子產(chǎn)品可以說(shuō)是最近幾年電子制造業(yè)中最主要的增長(zhǎng)點(diǎn),在各類設(shè)備趨向于輕、小、薄、巧的設(shè)計(jì)思路下,電路保護(hù)器件在性能指標(biāo),特別是在封裝規(guī)格上也出現(xiàn)了新的技術(shù)開發(fā)動(dòng)向。
“時(shí)至今日,靜電保護(hù)器件的發(fā)展仍是主要針對(duì)高速傳輸I/O接口,”冠寶科技股份有限公司業(yè)務(wù)經(jīng)理賴德豐表示:“針對(duì)便攜式電子產(chǎn)品,如智能手機(jī)、GPS導(dǎo)航儀、或穿戴式電子設(shè)備等,隨著這類產(chǎn)品薄型化及小型化發(fā)展特征日益明顯,除了在等校電容等電器性能上提出更為嚴(yán)格的要求之外,目前最大的問(wèn)題在于對(duì)微小化封裝技術(shù)的突破。”據(jù)介紹,冠寶科技持續(xù)投入在對(duì)低電容靜電保護(hù)器件及小型化0201CSP封裝的研發(fā)上,目標(biāo)是開發(fā)微型封裝技術(shù),以優(yōu)化成本, 提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
田路群也指出,縱觀目前的終端產(chǎn)品市場(chǎng),高密度PCB板的應(yīng)用日益增漲,越來(lái)越多的需求聚焦在更小的占位面積上提供更新、更全的保護(hù)功能,同時(shí)另一個(gè)顯著的變化是電路保護(hù)元件在結(jié)構(gòu)方面從傳統(tǒng)的引線式元件向表面安裝設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。例如,愛(ài)普科斯表面貼裝型級(jí)聯(lián)氣體放電管LN8以及高浪涌多層壓敏電阻CN2220組合解決方案,可為客戶DC 48V電壓應(yīng)用提供20KA板級(jí)浪涌保護(hù),插入高度小于10mm,整個(gè)方案可節(jié)約50%以上的占板空間,能提供最小20KA板級(jí)保護(hù)方案,適用于基站RRU設(shè)備小型化的應(yīng)用需求。
SCHURTER集團(tuán)是一家有著80多年歷史、致力于電路保護(hù)和電磁兼容抗干擾元器件研發(fā)與制造的瑞士公司,其開發(fā)的第 4代電路保護(hù)熔斷器產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。該公司亞太區(qū)銷售經(jīng)理Li Guo Quan表示,目前電路保護(hù)器件的技術(shù)挑戰(zhàn)主要集中在對(duì)高性能SMD微型貼片式產(chǎn)品的開發(fā)上,尤其是對(duì)1206至1812封裝尺寸規(guī)格的保護(hù)元器件的成功設(shè)計(jì)。據(jù)透露,SCHURTER高端工業(yè)級(jí)及宇航級(jí)貼片型保護(hù)元器件MGA、MGA-s、UST1206、UMT250的產(chǎn)能將應(yīng)中國(guó)及全球市場(chǎng)的需求,在2014年增加1倍左右,且SCHURTER的產(chǎn)品具備多個(gè)國(guó)家的安全認(rèn)證,如VDE、ENEC、UL、CSA、CCC、METI或KTL等,具有較高的品質(zhì)和可靠性保障。
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完善的保護(hù)方案成為必須
當(dāng)前,電路保護(hù)行業(yè)的另一個(gè)發(fā)展特征是,伴隨著中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的逐步深化,廠商們正積極地將更多的創(chuàng)新技術(shù),以及高品質(zhì)的產(chǎn)品推向國(guó)際市場(chǎng),為此,他們迫切需要在中國(guó)市場(chǎng)上尋找到能提供各種完整的電路保護(hù)解決方案和專業(yè)化技術(shù)支持的供應(yīng)廠商。對(duì)于眾多的電路保護(hù)廠商來(lái)說(shuō),競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)焦點(diǎn)體現(xiàn)在是否能夠提供一整套的電路保護(hù)器件方案上。
 美商柏恩(Bourns)公司中國(guó)區(qū)業(yè)務(wù)總經(jīng)理林建成 |
以美商柏恩公司開發(fā)的一系列電路保護(hù)產(chǎn)品為例,該公司目前針對(duì)客戶不同的要求可提供多種電路保護(hù)整體方案,例如,對(duì)于工業(yè)接口的浪涌保護(hù),柏恩推出了TBU 產(chǎn)品集合過(guò)流過(guò)壓、電力線搭接、電力線串?dāng)_、高浪涌防護(hù)等級(jí)等多種防護(hù)能力,另外超低阻值保險(xiǎn)絲、快速響應(yīng)GDT、快速限流保護(hù)芯片TCS、可編程電壓閘流管等新產(chǎn)品也已陸續(xù)推出。林建成強(qiáng)調(diào)道:“產(chǎn)品集成化、保護(hù)方案多樣化是大勢(shì)所趨,并且某些應(yīng)用還要求保護(hù)產(chǎn)品的前后代須兼容等,這些都需要器件廠商不斷完善現(xiàn)有產(chǎn)品,以滿足客戶不斷變化的需求?!?
晶焱科技是臺(tái)灣靜電防護(hù)及浪涌防護(hù)的專業(yè)開發(fā)廠商,不僅可提供各種接口的ESD/浪涌TVS保護(hù)元器件,更進(jìn)一步提出整體解決方案。在以太網(wǎng)絡(luò)接口上,晶焱采用一次側(cè)擺放兩顆AZ3028-04P,二次側(cè)擺放兩顆AZ3133-04F搭配電源部份使用AZ2015-01H來(lái)形成一套完整的解決方案,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的ESD/浪涌狀況均有較佳的保護(hù)效果。在其它接口上(如Video、 Audio I/O、USB、RS232等),晶焱也可為IP網(wǎng)絡(luò)攝像系統(tǒng)設(shè)備的客戶提供完整的解決方案。另外,晶焱還將TVS整合到接口芯片內(nèi)部,其雷擊防護(hù)功能強(qiáng)大的RS485接口芯片(AZRS3088) 耐受能力達(dá)到30A以上,選用此芯片后系統(tǒng)不需再額外使用ESD/浪涌TVS保護(hù)組件,足夠滿足自我保護(hù)系統(tǒng)等級(jí)ESD及雷擊浪涌的能量,可讓客戶不必為了外加ESD/浪涌TVS重新制作版子,在設(shè)計(jì)初期更可以減少PCB空間,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
姜信欽總結(jié)道,針對(duì)各種興起的智能型產(chǎn)品,靜電鉗位電壓是否可以做到最低,使靜電可以有效宣泄,并針對(duì)客戶不同的測(cè)試及系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件,提出高效率的ESD/浪涌完整解決方案是未來(lái)的重要趨勢(shì)。晶焱在客戶Design-in初期就可為用戶提供一整套的電路保護(hù)解決方案,并可在用戶測(cè)試階段提供技術(shù)支持和正確的測(cè)試方法,不但幫助客戶縮短逐次測(cè)試(try-and-error)的時(shí)間,更讓客戶在測(cè)試期間能夠了解到更多關(guān)于ESD的核心技術(shù),這也是晶焱與客戶創(chuàng)造“雙贏”的一貫?zāi)J健?
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延伸閱讀:HDMI 1.4端口電路防護(hù)方案新趨勢(shì)
文/姜信欽,晶焱科技股份有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)副總經(jīng)理
 晶焱科技股份有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)副總經(jīng)理姜信欽 |
隨著高速影音數(shù)字HDMI端口的日益普及,以及使用者熱插入HDMI連接線的次數(shù)增加,使得HDMI端口遭受到ESD靜電放電損傷的機(jī)會(huì)大幅提升,因此,應(yīng)用在HDMI端口的ESD保護(hù)組件在目前已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配備。為了滿足HDMI高速傳輸?shù)囊螅?dāng)前的HDMI接收發(fā)IC都是使用最先進(jìn)的制造工藝來(lái)設(shè)計(jì)與制造,IC中的組件也就相對(duì)地較為脆弱,非常容易遭受ESD靜電放電的損傷,HDMI端口對(duì)于ESD保護(hù)組件的規(guī)格要求也較高。目前HDMI已經(jīng)推出1.4版的規(guī)格,并朝著支持3D應(yīng)用及4K×2K高分辨率方向邁進(jìn);與HDM1 1.3規(guī)格相比,更高傳輸速度的信號(hào)對(duì)于ESD保護(hù)組件所造成的電容性負(fù)載將更為嚴(yán)苛。此外,HDMI 1.4規(guī)格中還追加了以太網(wǎng)絡(luò)傳輸通道(HDMI Ethernet Channel)以及音頻回授通道(Audio Return Channel)支持,這些應(yīng)用也需要ESD保護(hù)組件來(lái)做防護(hù)。
為了適應(yīng)HDMI 1.4端口的技術(shù)要求,ESD防護(hù)組件必須要同時(shí)符合三項(xiàng)條件:第一、ESD防護(hù)組件接腳本身的寄生電容必須要小,為了不影響到HDMI 1.4的3Gbps傳輸速率,其寄生電容必須小于0.5pF;第二、ESD防護(hù)組件本身對(duì)ESD放電的耐受能力必須要高,最少要能承受IEC 61000-4-2接觸模式下8KV的ESD轟擊;第三、也是最重要的,ESD防護(hù)組件在ESD事件發(fā)生期間所提供的鉗位電壓必須要足夠低,不能造成傳輸數(shù)據(jù)的損壞。以上三項(xiàng)要求缺一不可,只要缺少一條,HDMI 1.4端口就無(wú)法被完善地保護(hù)。但實(shí)際上,要同時(shí)都能滿足以上三項(xiàng)要求的ESD防護(hù)組件,其本身的設(shè)計(jì)難度就相當(dāng)高。
針對(duì)HDMI 1.4規(guī)格端口的ESD防護(hù),晶焱科技采用先進(jìn)的防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù),開發(fā)出具有高效能ESD防護(hù)能力及高整合度的ESD保護(hù)組件,例如對(duì)于高速TMDS腳位,使用兩顆AZ1045-04F作ESD防護(hù),而對(duì)于HDMI1.4規(guī)格的以太網(wǎng)絡(luò)連接腳位及其它低速腳位,則使用一顆AZC399-04S作ESD防護(hù)。
除此之外,移動(dòng)通信設(shè)備的靜電防護(hù)方案也值得關(guān)注。移動(dòng)通信設(shè)備內(nèi)部使用的IC零件都是用先進(jìn)半導(dǎo)體工藝設(shè)計(jì)制造的,對(duì)于靜電放電越來(lái)越敏感,而傳統(tǒng)的靜電放電防護(hù)裝置所使用的防護(hù)零件一般都使用的是陶瓷材質(zhì),因此其防護(hù)性能無(wú)法配合IC特性的改變而演變,進(jìn)而也容易喪失保護(hù)功能。因此,改用同樣是以IC制造工藝設(shè)計(jì)的TVS Array防護(hù)零件,保護(hù)效果才會(huì)更好。但這需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)者花時(shí)間來(lái)熟悉使用這種TVS Array,來(lái)做靜電放電防護(hù)設(shè)計(jì)。較有效、也是較省成本的方式是采用TVS Array防護(hù)零件,設(shè)計(jì)出靜電放電防護(hù)線路,通過(guò)選擇鉗位電壓低、封裝小的TVS Array防護(hù)零件,可以讓移動(dòng)通信設(shè)備在運(yùn)作中免受靜電放電所產(chǎn)生的噪聲,進(jìn)何不受到影響。由此可見(jiàn),鉗位電壓低、封裝小的TVS Array的使用機(jī)會(huì)將會(huì)大舉上升,設(shè)計(jì)出符合手持電子產(chǎn)品內(nèi)部線路工作電壓(如3.3V、2.5V、1.8V、1.2V等)的鉗位電壓性能會(huì)是必須的要求,也是設(shè)計(jì)TVS Array的技術(shù)挑戰(zhàn)所在。
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責(zé)編:Quentin