【導(dǎo)讀】熱保險(xiǎn)絲是最古老的電路保護(hù)裝置,目前仍在廣泛使用。人們已熟知這種產(chǎn)品,它可靠、一致、符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。然而,隨著最終產(chǎn)品的復(fù)雜性增加、尺寸縮小,設(shè)計(jì)人員需要為用戶可更換的保險(xiǎn)絲和保險(xiǎn)絲座找到一種替代產(chǎn)品,以減少外形尺寸,簡(jiǎn)化裝配,提高堅(jiān)固性并進(jìn)一步增加安全性。
而且,設(shè)計(jì)人員可以在不影響性能的情況下使用表面貼裝器件 (SMD)。SMD保險(xiǎn)絲采用了多種技術(shù),實(shí)現(xiàn)了熱熔斷以及各種必要的保險(xiǎn)絲特性,如快熔和慢熔。
本文將簡(jiǎn)要介紹熔斷、電路保護(hù)和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。然后將詳細(xì)介紹Bourns的SMD保險(xiǎn)絲及其主要特性及應(yīng)用方式。
經(jīng)久耐用的基本型保險(xiǎn)絲
傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲及其熱激活熔融連接約有150年的歷史,是最著名、最直接的一種電路保護(hù)裝置。這種保險(xiǎn)絲性能可靠、簡(jiǎn)單易懂,在提供單一的過流保護(hù)功能方面具有一致性。當(dāng)電流水平超過保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)確定的值時(shí),會(huì)將電路永久性地徹底斷開,從而中斷電流。
根據(jù)圖形標(biāo)準(zhǔn)不同,傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲會(huì)用不同的符號(hào)表示。這種保險(xiǎn)絲內(nèi)含一根金屬線,在設(shè)計(jì)、尺寸和材料方面都進(jìn)行了精確的工程設(shè)計(jì)(圖1)。當(dāng)通過這個(gè)易熔連接的電流超過預(yù)先設(shè)定的限制時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),這個(gè)連接就會(huì)因?yàn)樽詿岫刍?。這種自熱現(xiàn)象是由于電流流過該連接的電阻而產(chǎn)生的阻性I2R功率損耗直接造成的。
圖1:根據(jù)所采用的標(biāo)準(zhǔn)不同,可用以下原理符號(hào)中的一種來表示保險(xiǎn)絲。(圖片來源:ClipArtKey.com)
保險(xiǎn)絲有多種封裝類型,如著名的3AG小型玻璃管保險(xiǎn)絲,直徑為?英寸,長(zhǎng)1?英寸。對(duì)于每個(gè)保險(xiǎn)絲和額定電流,供應(yīng)商提供了詳細(xì)的圖表,說明了過流值與保險(xiǎn)絲元件因熔化而阻止電流流經(jīng)保險(xiǎn)絲所需的累計(jì)時(shí)間之間的關(guān)系。該值被稱為額定I2t,表示電流流動(dòng)產(chǎn)生的熱能,單位為安培2秒 (A2s)。
保險(xiǎn)絲并不是設(shè)計(jì)人員唯一使用的電路保護(hù)器件。還有其他一些無源器件,通過限制、阻斷、分流或"撬動(dòng)"過大的電流或電壓浪涌來實(shí)現(xiàn)其他形式的保護(hù)。但是,這些都不會(huì)像保險(xiǎn)絲那樣明確、永久性地切斷電流。這類器件不能取代保險(xiǎn)絲功能,但在保險(xiǎn)絲不合適用于保護(hù)或者在技術(shù)上有意義的情況下作為保險(xiǎn)絲的補(bǔ)充器件時(shí),可以使用這類器件。這類電路保護(hù)器件大家眾所周知,具體包括:
● 金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)
● 正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻
● 瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管
● 氣體放電管 (GDT)
● 聚合物PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲
和保險(xiǎn)絲一樣,以上每種保護(hù)器件都能提供電路保護(hù),并且因保險(xiǎn)絲具有一致性、直接動(dòng)作和不可逆等特點(diǎn),所以保留了基本的斷路、熔融連接的作用和功能。
超越可更換型熔融連接
當(dāng)與合適的保險(xiǎn)絲座或插座配合使用時(shí),熱保險(xiǎn)絲通常被認(rèn)為是可現(xiàn)場(chǎng)更換的器件。也就是說,往往沒有必要讓用戶現(xiàn)場(chǎng)更換,而且對(duì)于很多產(chǎn)品來說可能是不可取的。這種情況適合低功率產(chǎn)品(如手機(jī)、機(jī)頂盒、小型電池充電器、AC/DC墻插適配器和玩具);中等功率設(shè)備(包括電動(dòng)工具、工業(yè)控制器和消費(fèi)類發(fā)電機(jī)),甚至高功率系統(tǒng)(如電動(dòng)汽車 (EV) 充電器)。
考慮一下這些情況:
● 我們可能需要額定值不同的保險(xiǎn)絲來保護(hù)大電路中不同的子電路,而不是整個(gè)產(chǎn)品,其中包括那些含有敏感信號(hào)路徑的電路。
● 被熔斷的裝置可能是一個(gè)小型密封產(chǎn)品, 在這種情況下,采用保險(xiǎn)絲主要是為了保護(hù)電池及其充電電路,且最終用戶無法進(jìn)入內(nèi)部。
● 從安全角度來講,除非知道保險(xiǎn)絲熔斷的實(shí)際原因,比如機(jī)械人員無意中觸動(dòng)了電源軌,將其與汽車底盤連接,否則僅僅是因?yàn)槿菀赘鼡Q而進(jìn)行更換帶來的后果輕則浪費(fèi)時(shí)間,重則產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。例如,如果保險(xiǎn)絲是鋰基電池及其充電電路的保護(hù)電路的一部分,那么保險(xiǎn)絲就是該功能的關(guān)鍵器件。因此,一定要找到保險(xiǎn)絲"熔融"的根本原因,而不是盲目地更換保險(xiǎn)絲。
● 由于腐蝕、振動(dòng)和其他工作環(huán)境因素,保險(xiǎn)絲座及其觸頭會(huì)出現(xiàn)可靠性問題。
● 最后是尺寸問題:通過焊接而非底座固定的保險(xiǎn)絲在PC板上的占地面積會(huì)更小,外形更扁平。
為了實(shí)現(xiàn)像SMD器件一樣的小型無底座保險(xiǎn)絲,從而能使用標(biāo)準(zhǔn)電路板裝配和焊接設(shè)備,就必須擺脫傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的線形熔融連接部分的束縛,但是仍然保留能使其熔化并斷開電流路徑的自發(fā)熱原理。
多樣化SMD保險(xiǎn)絲應(yīng)對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
通過整合材料、技術(shù)、配方和制造技術(shù),Bourns開發(fā)出一系列SMD保險(xiǎn)絲,可在較寬的電流和工作電壓范圍內(nèi)提供熱保險(xiǎn)絲功能。Bourns的SinglFuse SMD保險(xiǎn)絲產(chǎn)品組合采用了七種不同的保險(xiǎn)絲結(jié)構(gòu)技術(shù):薄膜濺射、薄膜PC板、陶瓷多層板、陶瓷腔體層壓板、線芯、陶瓷管和陶瓷立方體(圖2)。
圖2:SinglFuse系列僅由SMD保險(xiǎn)絲組成,但要實(shí)現(xiàn)其提供的多種電流和電壓組合,需要使用七種不同的保險(xiǎn)絲技術(shù)。(圖片源:Bourns)
由于采用了多種技術(shù)和結(jié)構(gòu)方法,SinglFuse廣泛的產(chǎn)品系列包含了具有各種關(guān)鍵參數(shù)的保險(xiǎn)絲,具體如額定電流、額定電壓、分?jǐn)嗄芰?、I2t和工作溫度等。此外,SinglFuse產(chǎn)品符合UL、TUV和VDE標(biāo)準(zhǔn),符合UL 248和IEC 60127標(biāo)準(zhǔn),從而簡(jiǎn)化了產(chǎn)品整體認(rèn)證途徑。對(duì)于需要在寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全規(guī)格和可靠運(yùn)行的汽車應(yīng)用(眾多汽車的強(qiáng)制要求之一)或其他惡劣的工作環(huán)境,可提供符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)的保險(xiǎn)絲。
SMD器件:尺寸雖小,但絲毫不影響功能
在某些情況下,對(duì)小型元件的需求,特別是在SMD封裝中其特性或能力會(huì)受限。而SinglFuse器件則不會(huì)出現(xiàn)此類情況,其封裝尺寸從具有較低電流范圍且小到幾乎看不見的0402規(guī)格(0.040in. × 0.020in.,1.0mm × 0.5mm),到具有較高容量的3812規(guī)格(0.150in. × 0.100in.,3.81mm × 2.54mm),后者的尺寸仍然很小。
多年來,保險(xiǎn)絲供應(yīng)商開發(fā)出了具有獨(dú)特屬性的可熔融連接器件的特種版本,以滿足電路需求。鑒于此,SinglFuse器件具有不同的響應(yīng)特性,具體包括:
● 快斷
● 快斷精度:關(guān)鍵規(guī)范的公差更嚴(yán)格
● 慢熔:處理超過保險(xiǎn)絲額定電流的暫時(shí)浪涌電流
● 延時(shí):允許電浪涌在實(shí)際熔融前的短時(shí)間內(nèi)發(fā)生
● 高浪涌電流:用于過大啟動(dòng)電流
請(qǐng)注意,這些“個(gè)性”不同的保險(xiǎn)絲的電流與時(shí)間曲線的具體規(guī)范在各自的規(guī)格書中都有相應(yīng)的規(guī)定,設(shè)計(jì)人員應(yīng)加以研究,以獲得與應(yīng)用最匹配的保險(xiǎn)絲。
額定電流的極值:界定性能范圍
設(shè)計(jì)人員可以在廣泛的標(biāo)稱電流值范圍內(nèi)使用SMD保險(xiǎn)絲。例如,SF-2410FP0062T-2快動(dòng)精密SMD保險(xiǎn)絲采用EIA 2410(6125公制)規(guī)格陶瓷管,長(zhǎng)約6毫米,矩形端尺寸為2.1mm × 2.6 mm(圖3)。
圖3:Bourns SF-2410FP0062T-2是一款采用矩形封裝的快動(dòng)精密SMD保險(xiǎn)絲。(圖片源:Bourns)
這款保險(xiǎn)絲工作電壓為125V AC/DC,額定電流62毫安 (mA),典型額定I2t為0.0012 A2s。雖然頂層總結(jié)規(guī)范規(guī)定了保險(xiǎn)絲應(yīng)在電流達(dá)到額定電流的200%時(shí)在5秒內(nèi)斷開,但用戶很可能想研究它的性能圖,這種性能圖量化了時(shí)間電流特性(圖4)和I2t額定值(圖5),這是保險(xiǎn)絲響應(yīng)時(shí)間的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)保險(xiǎn)絲在其額定電流范圍內(nèi)工作時(shí),由于其電阻約為6歐姆 (Ω),因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意通過保險(xiǎn)絲的IR壓降;該電壓降低于最大值40毫伏 (mV)。
圖4:SF-2410FP0062T-2的規(guī)格書包括保險(xiǎn)絲從極低電流到標(biāo)稱最大值的電流時(shí)間特性的詳細(xì)信息,該參數(shù)定義了保險(xiǎn)絲的電流響應(yīng)曲線。(圖片源:Bourns)
圖5:SF-2410FP0062T-2的規(guī)格書還給出了不同電流水平下累積熱能的臨界I2t曲線。(圖片源:Bourns)
SF-1206S700慢熔保險(xiǎn)絲(圖6)具有非常不同的范圍和性能曲線。這種保險(xiǎn)絲是一種7A器件,當(dāng)電流達(dá)到器最大額定電流的250%時(shí)在5秒內(nèi)斷開。
圖6:Bourns SF-1206S系列的SF-1206S700慢熔表面貼裝保險(xiǎn)絲器件采用了7A器件,當(dāng)電流達(dá)到最大額定電流的250%時(shí)在5秒內(nèi)斷開(圖片來源:Bourns)
SF-1206S700具有與SF-2410FP-T不同的封裝和技術(shù),鑒于其薄膜結(jié)構(gòu),所以采用了3216 (EIA 1206, 1.55 × 3.1mm) 扁平封裝,高度僅為0.6mm(圖7)。該器件的電阻只有7毫歐 (mΩ),確保了在最大電流下具有小于50mV的低IR降。
圖7:SF-1206S700慢熔SMD保險(xiǎn)絲的剖面圖說明了其復(fù)雜的制造材料和技術(shù)。(圖片源:Bourns)
雖然該保險(xiǎn)絲的規(guī)格書中有與SF-2410FP-T 62mA保險(xiǎn)絲類似的圖形,但作為慢熔保險(xiǎn)絲,它還需要一條“I2T降額曲線與中繼器浪涌電流”曲線,以便進(jìn)一步定義慢熔保險(xiǎn)絲在反復(fù)全開關(guān)電路工作時(shí)的性能(圖8)。
圖8:慢熔保險(xiǎn)絲經(jīng)常會(huì)受到反復(fù)高浪涌電流周期的影響,因此SF-1206S700規(guī)格書闡明了這些周期對(duì)保險(xiǎn)絲特性的影響。(圖片源:Bourns)
對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說,動(dòng)手評(píng)估不同保險(xiǎn)絲的類型、額定值和尺寸是非常有用的,但這樣做需要面對(duì)一個(gè)挑戰(zhàn)。與有源元件(如運(yùn)放)或無源元件(電阻、指示燈、電容)不同,保險(xiǎn)絲是一次性器件,只有通過推動(dòng)保險(xiǎn)絲有效自毀,才能進(jìn)行全面測(cè)試。因此,手頭有多種不同保險(xiǎn)絲的參數(shù)值和類型對(duì)于評(píng)估很有用。
為了簡(jiǎn)化該過程,Bourns推出SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab套件,幫助設(shè)計(jì)人員快速完成原型測(cè)試(圖9)。該套件包含0402、0603和1206規(guī)格保險(xiǎn)絲(公制1608 - 3216)中的18種慢熔保險(xiǎn)絲各5種(共90個(gè));類似的SF-FP-LAB1套件包含采用0402 - 1206(公制1005 - 3216)封裝的160快熔精密保險(xiǎn)絲(32值,每個(gè)值各5個(gè))。
圖9:由于測(cè)試經(jīng)常會(huì)需要保險(xiǎn)絲自毀,因此,像SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab這樣的慢熔保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)套件可以減輕設(shè)計(jì)人員在尺寸、安裝、熱問題、性能等問題評(píng)估方面的工作。(圖片源:Bourns)
本文小結(jié)
盡管概念簡(jiǎn)單,但熱保險(xiǎn)絲基于先進(jìn)的熱、材料和制造方面的考慮因素,是一種復(fù)雜的無源電氣和機(jī)械元件。隨著電路和產(chǎn)品的不斷縮小,使得用戶更換保險(xiǎn)絲越來越不切實(shí)際、不明智,甚至是危險(xiǎn)的,因此顯而易見的是市場(chǎng)需要表面貼裝器件 (SMD) 保險(xiǎn)絲,而且這種保險(xiǎn)絲和其他SMD器件具有同樣的處理方式。此外,SMD保險(xiǎn)絲簡(jiǎn)化了裝配和制造工藝,降低了設(shè)計(jì)對(duì)振動(dòng)和腐蝕的敏感性。
如圖所示,Bourns SinglFuse系列SMD保險(xiǎn)絲為設(shè)計(jì)人員提供了廣泛的過流保護(hù)范圍和類型,以滿足當(dāng)今產(chǎn)品和PCB制造工藝的需求。
本文參考文獻(xiàn):
IEEE 2007 年第 8 屆國(guó)際電力保險(xiǎn)絲及其應(yīng)用會(huì)議,《保險(xiǎn)絲的起源》
來源:得捷電子DigiKey,作者:Bill Schweber
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