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通過強(qiáng)大的保護(hù)技術(shù)最大限度地延長移動銷售點的正常運行時間

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:嵌入式計算設(shè)計 ? 作者:嵌入式計算設(shè)計 ? 2022-10-17 09:52 ? 次閱讀
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移動電子技術(shù)的進(jìn)步使新的、功能更強(qiáng)大的便攜式銷售點(POS)設(shè)備的誕生成為可能。用戶依靠這些新設(shè)備的性能來實現(xiàn)任何地方的零售交易。最大限度地延長正常運行時間和確保高可靠性是任何零售業(yè)務(wù)(從小型商店到大型商店)的關(guān)鍵任務(wù)。

設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)包括保護(hù)其產(chǎn)品免受靜電放電 (ESD) 等危害,如人為接觸和過流的影響,以及使用電源適配器時交流電源線的瞬態(tài)事件。設(shè)計人員面臨的另一個挑戰(zhàn)是需要開發(fā)能夠延長電池壽命并安全地加速電池再充電時間的產(chǎn)品,以便POS終端花費最少的停運時間。使用鋰離子電池使設(shè)計人員能夠在小型電池組中提供高能量密度,并且可以實現(xiàn)快速充電能力;但是,設(shè)計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)計師面臨的第三個挑戰(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)可能會阻止新產(chǎn)品及時推向市場。由于重新設(shè)計工作和重新測試導(dǎo)致產(chǎn)品延遲交付市場,國家認(rèn)可的測試實驗室拒絕產(chǎn)品會導(dǎo)致收入損失。

設(shè)計人員可以選擇許多元件進(jìn)行產(chǎn)品保護(hù)和問題檢測,包括保險絲壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器、ESD抑制器和溫度檢測器。本文將為設(shè)計人員提供有關(guān) POS 終端、電源適配器和打印機(jī)模塊需要哪些保護(hù)和傳感組件的指導(dǎo)。圖 1 顯示了較舊的 POS 終端、較新的終端和電源適配器,以及可實現(xiàn)穩(wěn)健產(chǎn)品的保護(hù)和傳感組件列表。圖 2 說明了 POS 終端系統(tǒng)的主要元素。

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圖 1.移動 POS 設(shè)備和推薦的保護(hù)和傳感組件

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圖2:移動POS終端系統(tǒng)架構(gòu)

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),以防過流情況、電源線瞬變和雷擊。圖3顯示了電源適配器的電路塊和推薦的保護(hù)元件。

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圖 3.電源適配器框圖,含組件建議

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

高頻轉(zhuǎn)換器和箝位模塊還需要保護(hù),以防通過輸入模塊傳播的瞬變。對于該模塊,設(shè)計人員可以使用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS二極管,該二極管設(shè)計用于保護(hù)敏感的電子電路。這些設(shè)備可以在皮秒內(nèi)響應(yīng)瞬變。設(shè)計人員可以選擇雙極性或單極性二極管。而且,設(shè)計人員可以在徑向引線或表面貼裝外形尺寸中使用這些元件。

輸出保護(hù)、整流器和濾波器模塊與外部外圍設(shè)備接口。肖特基二極管將針對錯誤連接的外圍器件提供反極性保護(hù)。肖特基二極管的低正向電壓將最大限度地降低器件中的功耗,從而實現(xiàn)電源適配器的最大效率。設(shè)計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,那么它能夠輸出100 W。雖然 USB Type-C 設(shè)備能夠以 100 W 的高功率充電,但 USB 連接器具有密集間隔的引腳,很容易被灰塵和污垢短路。設(shè)計人員可以通過監(jiān)控USB連接器中的溫升來保護(hù)USB電路免受損壞。當(dāng)連接器溫度達(dá)到100°C左右時,數(shù)字溫度指示器可以將其電阻從10 Ω增加到1 MΩ,將其電阻增加50倍。 電阻的上升將導(dǎo)致電源適配器的輸出斷電。專為USB連接器設(shè)計并符合USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)的溫度指示器將保護(hù)USB連接器和輸出塊免受損壞。

保護(hù)移動銷售終端

POS終端需要與零售店員和客戶持續(xù)聯(lián)系。許多零售場所都鋪有地毯,加上低濕度,有利于環(huán)境易受ESD的影響。圖4顯示了POS端子中的電路塊。

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圖 4.帶有組件建議的 POS 接線端子

直流輸入模塊需要過流保護(hù)和瞬態(tài)保護(hù)。設(shè)計人員應(yīng)考慮使用 0402 封裝的表面貼裝保險絲節(jié)省 PC 板空間。使用快速熔斷器可以在 5 秒內(nèi)響應(yīng) 200% 過電流而打開,從而保護(hù)直流輸入塊和 POS 端子的其余部分。TVS二極管可以為直流輸入電路提供瞬變保護(hù)。表面貼裝版本有雙極性或單極性版本。表面貼裝版本可從 10/1000 μs 脈沖中安全吸收高達(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 C型輸入模塊與外部環(huán)境接口;因此,保護(hù)該塊免受靜電放電(ESD)是必要的。設(shè)計人員可以使用帶有多達(dá)五個雙極性二極管的TVS二極管陣列來保護(hù)該電路模塊的所有部分。二極管可以吸收高達(dá)±20 kV的瞬態(tài)電壓。每個二極管的電容僅為0.2 pF左右,因此該元件對USB傳輸協(xié)議的影響可以忽略不計。

微處理器MPU模塊接口的模塊應(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完整的保護(hù)。

Wi-Fi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)的推薦元件。由于RF電路設(shè)計用于保持50 Ω特性輸出阻抗,因此設(shè)計人員需要使用對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,并±空氣放電引起的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射頻信號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的影響,它們可能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)計人員應(yīng)為電池組提供過流保護(hù)。設(shè)計人員應(yīng)考慮使用可復(fù)位過流保護(hù)元件,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,電阻降至毫歐水平。過電流的跳變時間通常最大為5 s;此外,PPTC 采用節(jié)省空間的 0402 表面貼裝封裝。PPTC元件提供快速過流響應(yīng),具有低功耗、串聯(lián)電阻,可保護(hù)鋰離子電池組。

保護(hù)打印機(jī)

POS終端的收據(jù)打印機(jī)可以是終端的組成部分,也可以是單獨的設(shè)備。在任何一種情況下,打印機(jī)都需要過流、瞬變和ESD保護(hù)。圖 5 顯示了一個示例打印機(jī)和推薦的保護(hù)組件。圖6詳細(xì)介紹了打印機(jī)電路模塊和保護(hù)特定模塊所需的組件。

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圖 5.POS 打印機(jī)和推薦的保護(hù)組件

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圖 6.帶有組件建議的 POS 打印機(jī)框圖

打印機(jī)有三個電路塊,直流輸入,觸摸屏顯示器和Wi-Fi塊,它們類似于POS終端電路塊,需要類似的保護(hù)組件。以太網(wǎng)模塊與外部電路連接,需要ESD保護(hù)。對于這種高數(shù)據(jù)速率的通信模塊,設(shè)計人員必須選擇不影響傳輸速率的保護(hù)元件。設(shè)計人員可以考慮使用多引腳TVS二極管陣列,該陣列提供±20 kV的觸點保護(hù)和±30 kV的空氣放電保護(hù),同時以每條I/O線路僅2 pF的以太網(wǎng)電路加載。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。該元件還包括一個齊納二極管,可實現(xiàn) 150 W 和 8/20 μs 瞬態(tài)脈沖的 10 A 吸收。

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

打印機(jī)的USB連接器塊也與外部設(shè)備接口。因此,它也需要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,同時為電路增加最小電容。該器件的版本可以保護(hù)單個端口或兩個端口,如圖 8 所示。

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圖 8.單端口和雙端口聚合物 ESD 抑制器

確保符合國家和國際標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計人員應(yīng)了解適用于 POS 終端、打印機(jī)和電源適配器元素的標(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。這些標(biāo)準(zhǔn)包括 USB 互操作性要求、USB C 類要求和信息技術(shù)設(shè)備的安全要求。其他重要標(biāo)準(zhǔn)包括對ESD保護(hù)和其他瞬變的存活水平的要求。存在針對鋰電池故障的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。單獨的標(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)可能會導(dǎo)致測試實驗室拒絕POS終端。然后,設(shè)計人員將面臨昂貴的重新設(shè)計工作,測試實驗室昂貴的重復(fù)測試,以及由于延遲引入市場而導(dǎo)致的收入損失。在設(shè)計周期的早期努力遵守適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)將節(jié)省大量的開發(fā)時間和成本。然后,產(chǎn)品將具有更高的質(zhì)量和更強(qiáng)大的產(chǎn)品。

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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)計人員需要采用電路保護(hù)和傳感來開發(fā)可靠的產(chǎn)品。通過這樣做,產(chǎn)品將避免現(xiàn)場故障,這些故障會導(dǎo)致客戶不滿和市場對質(zhì)量差的看法。兩者都會影響產(chǎn)品收入。此外,設(shè)計團(tuán)隊需要了解適用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),以便他們的產(chǎn)品能夠在最短的時間內(nèi)獲得國家測試實驗室的認(rèn)證和批準(zhǔn)。使用公認(rèn)的組件,如保險商實驗室認(rèn)可的組件,將大大減少測試實驗室認(rèn)證時間。利用現(xiàn)有資源,例如專門從事保護(hù)和傳感組件開發(fā)和應(yīng)用的制造商的應(yīng)用工程師,可以幫助克服設(shè)計符合行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)大產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。

審核編輯:郭婷

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