先进的设计理念有助于避免/完全消除由过电流,过电压,过热状况引起的损坏,从而提高移动设备的可靠性和使用寿命。


移动电子技术的进步使得新的、功能更强大的便携式销售点(POS)设备的出现成为可能。用户依赖于这些新设备的性能来实现来自任何地方的零售交易。从小型商店到大型商店,最大化正常运行时间和确保高可靠性对于任何零售运营都是至关重要的。


设计人员面临的挑战包括保护其产品免受诸如人为触摸和过电流引起的静电放电(ESD)等危险,以及使用电源适配器时交流电源线产生的瞬态事件。 设计人员面临的另一个挑战是需要开发可延长电池寿命并安全地加快电池再充电时间的产品,以使POS终端花费的停机时间最少。 锂离子电池的使用使设计人员可以在小型电池组中提供高能量密度,并可以实现快速充电能力; 但是,设计人员需要管理充电周期并监视电池,以免损坏电池组。


设计人员面临的第三个挑战是确保他们的产品符合适用的标准。不遵守标准会妨碍新产品及时推向市场。国家认可的测试实验室拒绝产品会引起重新设计工作和重新测试从而导致收入损失,进而导致产品延迟交付市场。


设计人员可以选择许多用于产品保护和问题检测的元件,包括熔断器,压敏电阻,瞬态电压抑制器,ESD抑制器和温度检测器。 本文将为设计人员提供有关POS终端,电源适配器和打印机模块需要的保护和检测元件的指南。 图1显示了一个较旧的POS终端,一个较新的终端和一个电源适配器,以及列出了将使产品更强大的保护和检测元件。 图2显示了POS终端系统的主要元素。

 

图1.移动POS设备以及推荐的保护和传感元件

 

图2:移动POS终端系统架构


保护电源适配器
电源适配器与交流电源线相连;因此,电源适配器需要对交流电源线保护,以防过电流、电源线瞬变和雷击。图3显示了电源适配器的电路方框图和推荐的保护元件。

 

图3.电源适配器框图和推荐元件


输入保护,整流器和滤波器块的保护元件包括用于过电流保护的熔断器和用于瞬态能量保护的压敏电阻。 设计人员应根据其设计考虑是否需要快速熔断器还是慢速熔断器。 他们需要确保熔断器的额定电压高于交流线路电压,而且熔断器的电阻必须足够低,以便使熔断器的功耗降至最低。设计人员根据可用的PC板空间,可以在管状熔断器,轴向引线式熔断器和表面贴装熔断器之间进行选择。


高频转换器和钳位模块也需要提供保护,以防止通过输入模块传播的瞬变。 对于该模块,设计人员可以使用瞬态电压抑制器(TVS)二极管来保护敏感的电子电路。 这些器件可以在皮秒内对瞬态做出响应。 设计人员可以选择双极或单极二极管。 而且,设计人员可以以径向引线或表面安装形式使用这些元件。


输出保护,整流器和滤波器模块与外部外围设备连接。 肖特基二极管可为未正确连接的外围设备提供反极性保护。 肖特基二极管的低正向电压将使器件的功耗降至最低,从而实现电源适配器的最高效率。 设计人员需要确保肖特基二极管能够支持电源适配器的最大输出电流。


如果输出可以为USB Type-C器件充电,那么它能够输出100W。虽然USB Type-C器件可以提供100 W的高功率充电,但USB连接器的针脚间距很密,很容易因灰尘和污垢而短路。 设计人员可以通过监视USB连接器中的温升来保护USB电路免受损坏。 当连接器的温度达到100°C左右时,数字温度指示器可以将其电阻从10Ω增加到1MΩ。 电阻的上升将导致电源适配器的输出断电。 温度指示器专门设计用于USB连接器并符合USB Type-C标准,可保护USB连接器和输出模块不受损坏。


保护移动POS终端
POS终端需要不断与零售职员和客户联系。许多零售店的地板铺有地毯,加上湿度低,有利于形成易受静电放电影响的环境。图4显示了POS终端中的电路块。

 

图4.具有推荐元件的POS终端框图


直流输入模块需要过电流保护和瞬态保护。 设计人员应考虑使用带有0402封装的表面安装熔断器来节省PC板空间。 使用快速熔断器可在5 秒内快速响应200%的过电流而断开,从而保护DC输入模块和POS终端的其余部分。 TVS二极管可为直流输入电路的瞬变提供保护。 表面贴装版本有双极性或单极性版本。 表面贴装版本可以安全地从10/1000 µs脉冲吸收高达1500 W的功率。


USB Type-C输入块需要电源适配器输出块所需的温度保护。 此外,USB Type-C输入模块可与外部环境连接。 因此,必须保护此模块免受静电放电(ESD)的影响。 设计人员可以将多达五个双极型二极管一起使用的TVS二极管阵列,以保护该电路模块的所有部分。 二极管可以吸收高达±20 kV的瞬变。 每个二极管的电容仅为0.2 pF左右,因此该元件对USB传输协议的影响可忽略不计。


与微处理器、MPU、模块连接的模块应具有瞬态保护,以便这些模块和MPU保持安全。存储和触摸屏显示块可以分别使用TVS二极管和TVS二极管阵列。用户所接触的触摸屏特别容易受到静电放电的影响。多二极管阵列可以为触摸屏电路提供完整的保护。


Wi-Fi模块也暴露在外部环境中。 推荐使用聚合物复合ESD抑制器进行ESD保护。 由于射频电路被设计成维持50Ω的特性输出阻抗,因此设计人员需要使用对电路的输出特性影响不大的保护元件。 聚合物ESD抑制器可防止直接接触产生的±8 kV ESD瞬变和空气放电产生的±15 kV ESD瞬变; 该组件的最大电容仅为0.12 pF。 ESD抑制器的泄漏电流为几个纳安。 因此,ESD抑制器可以提供必要的保护,而不会干扰GHz Wi-Fi RF信号。


虽然锂离子电池组在紧凑型电池中具有较高的能量密度,但如果受到外部短路的影响,它们很容易发生热失控。电池管理电路为电池组提供保护功能;但是,设计人员应为电池组提供过电流保护。设计人员应考虑使用可复位过电流保护元件,如聚合物正温度系数(PPTC)元件。该元件的最大电阻为150毫欧;当电流保持在2安培以上时,电阻降到毫欧水平。过电流的动作时间通常最长为5秒;并且,PPTC可采用节省空间的0402表面贴装封装。PPTC元件以低功耗,串联电阻可提供快速的过电流响应,从而保护锂离子电池组。


保护打印机
POS终端的收据打印机可以是终端一体机,也可以是单独的设备。无论哪种情况,打印机都需要防止过电流、瞬变和静电放电。图5显示了示例打印机和推荐的保护元件。 图6详细说明了打印机电路模块以及保护特定模块所需的元件。

 

图5. POS打印机和推荐的保护元件

 

图6.具有推荐元件的POS打印机框图


打印机有三个电路块,直流输入、触摸屏显示和Wi-Fi模块,它们与POS终端电路块类似,需要类似的保护元件。以太网模块与外部电路连接,需要ESD保护。对于这种高数据速率的通信块,设计人员必须选择一种不影响传输速率的保护元件。设计人员可以考虑一个多引脚TVS二极管阵列,它提供±20千伏的接触保护和±30千伏的空气放电保护,同时每个I/O线只加载2pF的以太网电路。图7显示了一个推荐的保护方案,使用一个小型4通道低电容TVS二极管阵列。该元件还包括齐纳二极管,它能够吸收150 W和10 A的8/20µs瞬态脉冲。

 

图7.以太网接口的推荐保护电路,该电路使用包含齐纳二极管的低电容TVS二极管阵列


打印机的USB连接器模块也与外部设备连接;因此,它还需要ESD和瞬态电压保护。与Wi-Fi模块一样,ESD抑制器可以保护I/O线,同时为电路增加最小电容。该设备版本可以保护一个或两个端口,如图8所示。

 

图8.单端口和双端口聚合物ESD抑制器


确保符合国家和国际标准
设计人员应了解适用于POS终端,打印机和电源适配器的标准。 表1列出了产品必须符合的一些重要标准,以便可以将它们推向市场。 这些标准包括USB互操作性要求,USB Type-C要求和信息技术设备的安全要求。 其它重要标准包括ESD保护和其它瞬态电压的承受能力要求。锂电池的故障防护标准。 单独的标准适用于连接到交流电源线的电源和充电器。


不遵守这些标准可能导致测试实验室拒绝POS终端。然后,设计人员将面临昂贵的重新设计工作、测试实验室昂贵的重复测试,以及由于推迟投放市场而造成的收入损失。在设计周期的早期遵循适当的标准将节省大量的开发时间和成本。这样,产品的质量会更高,产品也会更可靠。

 

表1.适用于POS终端的标准


利用所有可用资源来客服挑战
设计人员需要采用电路保护和传感技术来开发可靠的产品。这样做,将避免产品在现场发生故障,造成客户的不满和质量差的市场感觉。两者都会影响产品收入。此外,设计团队需要了解适用的行业标准,以便他们的产品能够在最短的时间内获得国家测试实验室认证和批准。使用认可的元件,例如Underwriters Laboratory认可的元件,将大大减少测试实验室的认证时间。专门研究保护和传感元件的开发和应用的制造商的应用工程师们可以利用可用资源,克服挑战,设计出符合行业安全标准的可靠产品。