先進(jìn)的設(shè)計(jì)考慮有助于避免/完全消除過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱條件造成的損壞，從而提高移動(dòng)設(shè)備的可靠性和使用壽命。

移動(dòng)電子技術(shù)的進(jìn)步使新的、功能更強(qiáng)大的便攜式銷(xiāo)售點(diǎn) （POS） 設(shè)備的創(chuàng)建成為可能。用戶依靠這些新設(shè)備的性能從任何地方實(shí)現(xiàn)零售交易。最大限度地延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間并確保高可靠性是任何零售運(yùn)營(yíng)（從小型商店到大型商店）的關(guān)鍵任務(wù)。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)包括保護(hù)其產(chǎn)品免受靜電放電 （ESD） 等危害，例如人體接觸和過(guò)流造成的靜電放電 （ESD），以及使用電源適配器時(shí)交流電源線的瞬態(tài)事件。設(shè)計(jì)人員面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要開(kāi)發(fā)能夠延長(zhǎng)電池壽命并安全加快電池充電時(shí)間的產(chǎn)品，以便POS終端花費(fèi)最少的停機(jī)時(shí)間。鋰離子電池的使用使設(shè)計(jì)人員能夠在小型電池組中提供高能量密度，并可實(shí)現(xiàn)快速充電能力;但是，設(shè)計(jì)人員需要管理充電周期并監(jiān)控電池，以避免損壞電池組。

設(shè)計(jì)師面臨的第三個(gè)挑戰(zhàn)是確保他們的產(chǎn)品符合適用的標(biāo)準(zhǔn)。不遵守標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)阻止新產(chǎn)品及時(shí)推向市場(chǎng)。國(guó)家認(rèn)可的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室拒絕產(chǎn)品會(huì)導(dǎo)致由于重新設(shè)計(jì)工作和重新測(cè)試而導(dǎo)致收入損失，從而導(dǎo)致產(chǎn)品交付市場(chǎng)的延遲。

設(shè)計(jì)人員可以選擇許多組件來(lái)保護(hù)產(chǎn)品和問(wèn)題檢測(cè)，包括保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器、ESD 抑制器和溫度檢測(cè)器。本文將為設(shè)計(jì)人員提供有關(guān) POS 終端、其電源適配器和打印機(jī)模塊在何處需要保護(hù)和傳感組件的指導(dǎo)。

保護(hù)電源適配器

電源適配器連接到交流電源線;因此，電源適配器將需要交流線路保護(hù)，使其免受過(guò)流情況、電源線瞬變和雷擊的影響。圖3顯示了電源適配器的電路塊和推薦的保護(hù)元件。

圖3.帶有組件建議的電源適配器框圖

用于輸入保護(hù)、整流器和濾波器模塊的保護(hù)元件包括用于過(guò)流保護(hù)的保險(xiǎn)絲和用于瞬態(tài)能量保護(hù)的壓敏電阻。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮他們的設(shè)計(jì)是否需要快速動(dòng)作還是慢響應(yīng)保險(xiǎn)絲。他們需要確保保險(xiǎn)絲的額定電壓高于交流線路電壓，并且保險(xiǎn)絲的電阻足夠低，以最大限度地降低保險(xiǎn)絲中的功耗。根據(jù)可用的 PC 板空間，設(shè)計(jì)人員可以在盒式保險(xiǎn)絲、軸向引線保險(xiǎn)絲和表面貼裝保險(xiǎn)絲之間進(jìn)行選擇。

高頻轉(zhuǎn)換器和箝位模塊還需要防止通過(guò)輸入模塊傳播的瞬變。對(duì)于該模塊，設(shè)計(jì)人員可以使用瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 二極管，這些二極管旨在保護(hù)敏感的電子電路。這些設(shè)備可以在一皮秒內(nèi)響應(yīng)瞬態(tài)。設(shè)計(jì)人員可以選擇雙極性或單極性二極管;而且，設(shè)計(jì)人員可以在徑向引線或表面貼裝外形尺寸中使用這些組件。

輸出保護(hù)、整流器和濾波器模塊與外部外圍設(shè)備接口。肖特基二極管將提供反極性保護(hù)，防止錯(cuò)誤連接的外圍設(shè)備。肖特基二極管的低正向電壓將最大限度地降低器件的功耗，從而實(shí)現(xiàn)電源適配器的最大效率。設(shè)計(jì)人員需要確保肖特基二極管能夠支持電源適配器的最大輸出電流。

如果輸出可以為USB Type-C設(shè)備充電，那么它可以輸出100 W。雖然USB Type-C設(shè)備可以以100 W的高功率充電，但USB連接器具有密集的引腳，很容易被灰塵和污垢短路。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)監(jiān)控 USB 連接器中的溫升來(lái)保護(hù) USB 電路免受損壞。當(dāng)連接器的溫度達(dá)到 100 °C 左右時(shí)，數(shù)字溫度指示器可以將其電阻從 10 Ω 增加到 1 MΩ，增加五十倍頻程。 電阻的上升將導(dǎo)致電源適配器的輸出斷電。專(zhuān)為 USB 連接器設(shè)計(jì)且符合 USB C 型標(biāo)準(zhǔn)的溫度指示器將保護(hù) USB 連接器和輸出模塊免受損壞。

保護(hù)移動(dòng) POS 終端

POS終端需要零售店員和客戶的持續(xù)聯(lián)系。許多零售場(chǎng)所都有地毯地板，再加上低濕度，有利于環(huán)境容易受到ESD的影響。圖 4 顯示了 POS 終端中的電路塊。

圖4.帶有組件建議的 POS 接線框圖

直流輸入模塊需要過(guò)流保護(hù)和瞬態(tài)保護(hù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用 0402 封裝的表面貼裝保險(xiǎn)絲節(jié)省 PC 板空間。使用快速熔斷保險(xiǎn)絲可以在 5 秒內(nèi)響應(yīng) 200% 的過(guò)電流打開(kāi)，從而保護(hù)直流輸入塊和 POS 終端的其余部分。TVS二極管可以為直流輸入電路提供瞬變保護(hù)。表面貼裝版本提供雙極或單極版本。表面貼裝版本可以安全地從 10/1000 μs 脈沖吸收高達(dá) 1500 W 的功率。

USB C 型輸入模塊需要電源適配器輸出模塊所需的溫度保護(hù)。此外，USB Type-C輸入模塊與外部環(huán)境接口;因此，保護(hù)該模塊免受靜電放電（ESD）的影響是必要的。設(shè)計(jì)人員可以使用具有多達(dá)五個(gè)雙極性二極管的TVS二極管陣列來(lái)保護(hù)該電路模塊的所有部分。二極管可以吸收高達(dá) 20 kV ±瞬態(tài)電壓。每個(gè)二極管的電容僅為0.2 pF左右，因此該元件對(duì)USB傳輸協(xié)議的影響可以忽略不計(jì)。

與微處理器 MPU 接口的模塊應(yīng)具有瞬態(tài)保護(hù)，以便這些模塊和 MPU 保持安全。存儲(chǔ)和觸摸屏顯示模塊可以分別使用 TVS 二極管和 TVS 二極管陣列。用戶將接觸的觸摸屏特別容易受到ESD的影響。多二極管元件可以為觸摸屏電路提供全面保護(hù)。

Wi-Fi 模塊也暴露在外部環(huán)境中。聚合物復(fù)合ESD抑制器是ESD保護(hù)的推薦組件。由于RF電路設(shè)計(jì)為保持50 Ω的特性輸出阻抗，因此設(shè)計(jì)人員需要使用對(duì)電路輸出特性影響不大的保護(hù)元件。聚合物 ESD 抑制器可防止直接接觸產(chǎn)生的 8 kV ESD 瞬變±和空氣放電± 15 kV ESD 瞬變;該元件的最大電容僅為0.12 pF。ESD抑制器的漏電流為幾納安。因此，ESD抑制器可以在不干擾GHz Wi-Fi RF信號(hào)的情況下提供必要的保護(hù)。

雖然鋰離子電池組在緊湊型電池中具有高能量密度，但如果受到外部短路，它們很容易受到熱失控的影響。電池管理電路為電池組提供保護(hù)功能;但是，設(shè)計(jì)人員應(yīng)為電池組集成過(guò)流保護(hù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用可復(fù)位過(guò)流保護(hù)元件，例如聚合物正溫度系數(shù) （PPTC） 元件。該元件的最大電阻為150 mΩ;當(dāng)電流保持在 2 A 以上時(shí)，電阻降至毫歐級(jí)。過(guò)流跳閘時(shí)間通常最長(zhǎng)為 5 s;此外，PPTC 采用節(jié)省空間的 0402 表面貼裝封裝。PPTC 組件提供快速過(guò)流響應(yīng)和低功耗串聯(lián)電阻，以保護(hù)鋰離子電池組。

保護(hù)打印機(jī)

用于POS終端的收據(jù)打印機(jī)可以是終端的組成部分，也可以是單獨(dú)的設(shè)備。無(wú)論哪種情況，打印機(jī)都需要防止過(guò)流、瞬變和ESD。圖 5 顯示了一個(gè)示例打印機(jī)和推薦的保護(hù)組件。圖 6 詳細(xì)介紹了打印機(jī)電路塊和保護(hù)特定塊所需的組件。

圖5.POS 打印機(jī)和推薦的保護(hù)組件

圖6.帶有組件建議的 POS 打印機(jī)框圖

打印機(jī)有三個(gè)電路塊，即直流輸入、觸摸屏顯示器和 Wi-Fi 塊，它們類(lèi)似于 POS 接線端子，需要類(lèi)似的保護(hù)組件。以太網(wǎng)塊與外部電路連接，需要ESD保護(hù)。對(duì)于這種高數(shù)據(jù)速率的通信模塊，設(shè)計(jì)人員必須選擇不影響傳輸速率的保護(hù)元件。設(shè)計(jì)人員可以考慮使用多引腳 TVS 二極管陣列，該陣列可提供 ± 20 kV 的接觸±保護(hù)和 30 kV 的空氣放電保護(hù)，同時(shí)加載以太網(wǎng)電路，每條 I/O 線路僅 2 pF。圖7顯示了使用Littelfuse 4通道低電容TVS二極管陣列的推薦保護(hù)方案。該組件還包括一個(gè)齊納二極管，可吸收 150 W 和 10 A 的 8/20 μs 瞬態(tài)脈沖。

圖7.推薦用于使用低電容TVS二極管陣列（包括齊納二極管）的以太網(wǎng)接口保護(hù)電路

打印機(jī)的 USB 連接器塊還與外部設(shè)備連接;因此，它還需要ESD和瞬態(tài)電壓保護(hù)。與Wi-Fi模塊一樣，ESD抑制器可以保護(hù)I/O線路，同時(shí)為電路增加最小的電容。該器件的版本可以保護(hù)單個(gè)端口或兩個(gè)端口，如圖 8 所示。

圖8.單端口和雙端口聚合物ESD抑制器

確保符合國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解適用于 POS 終端、打印機(jī)和電源適配器元件的標(biāo)準(zhǔn)。表1列出了產(chǎn)品必須遵守的一些重要標(biāo)準(zhǔn)，以便將其推向市場(chǎng)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括 USB 互操作性要求、USB Type-C 要求和信息技術(shù)設(shè)備的安全要求。其他重要標(biāo)準(zhǔn)包括對(duì)ESD保護(hù)和其他瞬變的生存水平的要求。存在鋰電池故障保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)適用于連接到交流電源線的電源和充電器。

不遵守這些標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試實(shí)驗(yàn)室拒絕POS終端。然后，設(shè)計(jì)師將面臨昂貴的重新設(shè)計(jì)工作，測(cè)試實(shí)驗(yàn)室昂貴的重復(fù)測(cè)試，以及由于延遲推向市場(chǎng)而導(dǎo)致的收入損失。在設(shè)計(jì)周期的早期遵守適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的努力將節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。然后，產(chǎn)品將是更高質(zhì)量和更堅(jiān)固的產(chǎn)品。

表 1.適用于 POS 終端的標(biāo)準(zhǔn)

利用所有可用資源克服挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)人員需要采用電路保護(hù)和傳感來(lái)開(kāi)發(fā)可靠的產(chǎn)品。通過(guò)這樣做，產(chǎn)品將避免造成客戶不滿和市場(chǎng)對(duì)質(zhì)量差的看法的現(xiàn)場(chǎng)故障。兩者都會(huì)影響產(chǎn)品收入。此外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要了解適用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以便他們的產(chǎn)品能夠在最短的時(shí)間內(nèi)獲得國(guó)家測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證和批準(zhǔn)。使用公認(rèn)的組件，例如美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可的組件，將大大減少測(cè)試實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證時(shí)間。利用現(xiàn)有資源，例如專(zhuān)門(mén)從事保護(hù)和傳感組件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的制造商的應(yīng)用工程師，可以幫助克服設(shè)計(jì)符合行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)健產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷