【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1?英寸。對于每個(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)場更換的器件。也就是說，往往沒有必要讓用戶現(xiàn)場更換，而且對于很多產(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)，從而簡化了產(chǎn)品整體認(rèn)證途徑。對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保險(xiǎn)絲特性的影響。（圖片源：Bourns）
對于設(shè)計(jì)人員來說，動(dòng)手評估不同保險(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)行全面測試。因此，手頭有多種不同保險(xiǎn)絲的參數(shù)值和類型對于評估很有用。
為了簡化該過程，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、性能等問題評估方面的工作。（圖片源：Bourns）
本文小結(jié)
盡管概念簡單，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)絲簡化了裝配和制造工藝，降低了設(shè)計(jì)對振動(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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