Trong các hệ thống điện tử công nghiệp và ô tô hiện đại, công nghệ bảo vệ mạch đóng một vai trò quan trọng. Khi sự tích hợp và độ phức tạp của các thiết bị tiếp tục tăng lên, các vấn đề như quá dòng, quá áp, phóng tĩnh điện (ESD) và nhiễu điện từ (EMI) đã trở nên nổi bật hơn. Lựa chọn hợp lý các thành phần bảo vệ mạch có thể kéo dài tuổi thọ của thiết bị một cách hiệu quả và đảm bảo sự ổn định và độ tin cậy của hệ thống.

Bảo vệ mạch là gì?

Bảo vệ mạch đề cập đến các biện pháp được thực hiện để bảo vệ các thiết bị điện tử hoặc hệ thống điện khỏi những hư hỏng không thể phục hồi do điện áp bất thường gây ratage, quá dòng, đoản mạch, tăng vọt, v.v. Nói một cách đơn giản, bảo vệ mạch hoạt động như "bảo vệ an toàn" của các thiết bị điện tử. Thông qua các thành phần hoặc giải pháp khác nhau, nó hướng dẫn và hấp thụ các bất thường của mạch để ngăn ngừa hư hỏng các thành phần quan trọng. Các thành phần bảo vệ mạch phổ biến bao gồm, nhưng không giới hạn ở:

Biến trở oxit kim loại (MOV)

Hấp thụ quá áp tăng vọt để ngăn các thành phần nhạy cảm bị hư hỏng.

Diode triệt tiêu điện áp thoáng qua (TVS)

Nhanh chóng phản ứng với điện áp tăng đột biến, bảo vệ mạch khỏi các đợt tăng đột biến thoáng qua.

Ống xả khí (GDT)

Được biết đến với khả năng chịu đột biến cao, thường được sử dụng trong các thiết bị liên lạc và bảo vệ nguồn điện công nghiệp.

Cầu chì hệ số nhiệt độ dương polymer (PPTC)

Cắt mạch khi quá dòng và tự động phục hồi sau khi lỗi được xóa.

Yêu cầu đặc biệt đối với các ứng dụng công nghiệp và ô tô

Trong môi trường công nghiệp, thiết bị cần chịu được các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm, bụi và rung động. Do đó, các thành phần bảo vệ cần có các đặc tính như chịu nhiệt độ cao, khả năng chịu điện áp cao và tuổi thọ cao. Trong các ứng dụng ô tô, các linh kiện điện tử phải đáp ứng các tiêu chuẩn AEC-Q và phải có khả năng chống va đập, rung động và phạm vi nhiệt độ rộng (thường từ -40°C đến 125°C).

Các thành phần bảo vệ mạch chung và ứng dụng của chúng

Dưới đây là một số thành phần bảo vệ mạch phổ biến:

Biến trở oxit kim loại (MOV)

MOV thường được sử dụng để bảo vệ quá áp trong mạch điện tử. Khi quá áp xảy ra, MOV giới hạn điện áp ở một mức cụ thể thông qua các đặc tính phi tuyến của nó, ngăn ngừa hư hỏng các thành phần khác. MOV đặc biệt được sử dụng rộng rãi trong mạch xoay chiều.

Hình 3-1: Biến trở oxit kim loại, 385V

Ống xả thủy tinh

Ống phóng thủy tinh kết hợp những ưu điểm của ống phóng khí bằng gốm đồng thời đáp ứng các yêu cầu về điện áp đánh thủng DC cao hơn. Nó có điện áp dẫn điện thấp và dòng phóng điện cao, phù hợp với môi trường chống sét khắc nghiệt. Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị ô tô và thông tin liên lạc.

Điốt triệt tiêu điện áp thoáng qua (Điốt TVS)

Điốt TVS đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mạch, đặc biệt là trong việc bảo vệ các thành phần nhạy cảm. Tốc độ phản hồi của chúng cực kỳ nhanh (trong phạm vi picosecond), cho phép chúng nhanh chóng cắt quá áp. Do đó, chúng thường được sử dụng để bảo vệ cổng I/O trong các ứng dụng truyền dữ liệu quan trọng.

Ống xả khí gốm

Ống phóng khí gốm là một trong những loại thiết bị chống sét lan truyền được sử dụng phổ biến nhất. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện DC và bảo vệ chống sét lan truyền tín hiệu. Cấu trúc của chúng có khả năng mang dòng điện lớn, điện dung nhỏ giữa các giai đoạn và điện trở cách điện cao, có thể nhanh chóng bảo vệ mạch khỏi bị hư hỏng trong trường hợp sét hoặc các đợt tăng khác.

Hình 3-4: Ống xả khí gốm

Cầu chì hệ số nhiệt độ dương polymer (PPTC)

Cầu chì PPTC sử dụng vật liệu polyme giúp tăng điện trở nhanh chóng khi xảy ra quá dòng, do đó bảo vệ mạch. Sau khi quá dòng được xóa, cầu chì trở lại trạng thái điện trở thấp ban đầu, tránh phải thay cầu chì thường xuyên.

Cân nhắc thiết kế để bảo vệ mạch trong các ứng dụng thực tế

Chọn loại thành phần phù hợp:

Chọn các thành phần có tốc độ phản hồi và khả năng xử lý năng lượng phù hợp dựa trên các tình huống ứng dụng cụ thể và nhu cầu bảo vệ.

Xem xét các yếu tố môi trường:

Trong môi trường công nghiệp và ô tô, hãy xem xét tác động của các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm và sốc cơ học đối với hiệu suất của các bộ phận.

Đáp ứng các tiêu chuẩn ngành:

Các thành phần ô tô phải tuân thủ các tiêu chuẩn AEC-Q100 hoặc AEC-Q200, trong khi các bộ phận công nghiệp cần phải trải qua các chứng nhận có độ tin cậy cao có liên quan.

Thiết kế chuỗi bảo vệ:

Sử dụng kết hợp nhiều thành phần bảo vệ để tạo thành một chuỗi bảo vệ nhiều lớp, nâng cao độ tin cậy tổng thể của hệ thống.

Xu hướng tương lai: Giải pháp thông minh và tích hợp

Với sự phát triển nhanh chóng của Công nghiệp 4.0 và điện tử ô tô, công nghệ bảo vệ mạch tiếp tục phát triển. Một mặt, các thành phần bảo vệ thông minh đã xuất hiện, tích hợp các chức năng chẩn đoán để theo dõi trạng thái mạch trong thời gian thực và cung cấp phản hồi. Mặt khác, các giải pháp bảo vệ tích hợp cao đang thu hút sự chú ý. Các giải pháp chip đơn tích hợp nhiều chức năng bảo vệ giúp giảm độ phức tạp của thiết kế mạch và tiết kiệm không gian PCB. Hơn nữa, thiết kế bền vững đang trở thành một xu hướng, tập trung vào việc nâng cao độ bền và hiệu quả năng lượng của các linh kiện bảo vệ để giảm tần suất thay thế và hỗ trợ thiết kế điện tử xanh.

Kết luận

Công nghệ bảo vệ mạch là nền tảng để đảm bảo hoạt động ổn định của các hệ thống công nghiệp và ô tô. Bằng cách lựa chọn cẩn thận các thành phần bảo vệ thích hợp và thiết kế các mạch bảo vệ hiệu quả, độ an toàn và độ tin cậy của hệ thống có thể được cải thiện đáng kể. Khi môi trường ứng dụng ngày càng trở nên phức tạp, công nghệ bảo vệ mạch trong tương lai sẽ tiếp tục phát triển theo hướng thông minh và tích hợp cao hơn, cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực ứng dụng hơn.