中心議題:
- 保險(xiǎn)絲的三項(xiàng)基本功能
- 貼片保險(xiǎn)絲在單節(jié)鋰電池上的應(yīng)用
- 保險(xiǎn)絲在LED照明燈具中的應(yīng)用
- 雙保險(xiǎn)絲為大電流板級電路提供有效保護(hù)
- 保險(xiǎn)絲應(yīng)用設(shè)計(jì)的常見問題
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在電路的過流保護(hù)設(shè)計(jì)中,經(jīng)常使用到保險(xiǎn)絲,換句話說,合理應(yīng)用保險(xiǎn)絲對于設(shè)計(jì)可靠的過流保護(hù)電路非常重要。本文將在介紹保險(xiǎn)絲的基本功能的基礎(chǔ)上,介紹保險(xiǎn)絲在鋰電池保護(hù)板及LED照明燈具中的應(yīng)用方案,并整理出行業(yè)內(nèi)的專家們對保險(xiǎn)絲應(yīng)用中的一些常見問題的解答及經(jīng)驗(yàn)分享,對工程師初步認(rèn)識保險(xiǎn)絲非常有幫助,對工程師進(jìn)一步合理使用保險(xiǎn)絲有指導(dǎo)意義。
保險(xiǎn)絲的三項(xiàng)基本功能
什么樣的保險(xiǎn)絲才是好的保險(xiǎn)絲?AEM(蘇州)科技有限公司副總經(jīng)理鄭索平先生總結(jié)概括出保險(xiǎn)絲的三項(xiàng)主要基本功能,即:
- 保護(hù)功能:該斷的時(shí)侯要斷
- 承載功能:不該斷的時(shí)侯不能斷
- 安全功能:斷的過程必須保證安全
保險(xiǎn)絲的保護(hù)功能決定了保險(xiǎn)絲在需要的時(shí)侯必須動作,當(dāng)被保護(hù)電路上出現(xiàn)不被允許的異常過電流時(shí)能夠及時(shí)而有效地切斷電流。要滿足保險(xiǎn)絲的保護(hù)功能,需選擇恰當(dāng)熔斷特性和恰當(dāng)?shù)念~定電流規(guī)格的保險(xiǎn)絲品種。
并不是所有出現(xiàn)過流的時(shí)侯保險(xiǎn)絲必須動作的,有些過流并不是異常的,這樣的過流保險(xiǎn)絲必須能夠承受,例如,開關(guān)電源熱插拔時(shí)出現(xiàn)的浪涌電流就是保險(xiǎn)絲需要承載的,因此,保險(xiǎn)絲需具備承載能力。換句話說,保險(xiǎn)絲的承載能力保證了保險(xiǎn)絲在絕大部分時(shí)間里的正常工作。選擇有恰當(dāng)熔化熱能值的保險(xiǎn)絲品種規(guī)格和放大足夠并合理的安全余量才能滿足保險(xiǎn)絲的承載功能(耐脈沖能力)。
保險(xiǎn)絲的安全功能確保了保險(xiǎn)絲在任何條件下的絕對安全。具體來說就是,優(yōu)質(zhì)可靠的保險(xiǎn)絲應(yīng)該在其動作前,動作中和動作后都能保證安全性,即安全地導(dǎo)通和安全地熔斷,不發(fā)生任何不安全的因素,如持續(xù)拉弧、多次導(dǎo)通、破碎、飛濺、燃燒、以至爆炸等。選擇具有足夠分?jǐn)嗄芰皖~定電壓的,并獲得必要的應(yīng)用地區(qū)的安全認(rèn)證的保險(xiǎn)絲品種,才能滿足保險(xiǎn)絲的安全功能。
總的來說,適當(dāng)?shù)谋kU(xiǎn)絲應(yīng)當(dāng)具備:適當(dāng)?shù)娜蹟嗵匦院皖~定電流;足夠而合理的熔化熱能值;合適的分?jǐn)嗄芰?、額定電壓和安全認(rèn)證,只有在具備了這三個(gè)條件的基礎(chǔ)上,同時(shí)協(xié)調(diào)好保護(hù)性能和耐脈沖能力之間的制約,求得最合理的平衡的保險(xiǎn)絲才是最適當(dāng)、最好的保險(xiǎn)絲。
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貼片保險(xiǎn)絲在單節(jié)鋰電池上的應(yīng)用
鋰電池被廣泛用作照相機(jī)、手機(jī)等便攜消費(fèi)電子產(chǎn)品的供電電源,其安全性非常重要,故而鋰電池保護(hù)板選擇合適的貼片保險(xiǎn)絲是非常必要的。鋰電池保護(hù)板的主要元器件有保護(hù)IC 、MOSFET和貼片保險(xiǎn)絲,下面將通過兩個(gè)實(shí)例來說明保險(xiǎn)絲在鋰電池保護(hù)板中的選擇及應(yīng)用。(資料下載:http://www.52solution.com/data/datainfo/id/2518)
某單節(jié)鋰電池保護(hù)板電路圖如圖1,保護(hù)IC采用SII(精工) S8261ACJ,基本參數(shù)如表1,采用的MOS管為BF9028DNJ / BF9028DNJ-A ,部分參數(shù)如表2。
圖1 單節(jié)鋰電池保護(hù)板電路圖
表1 S-8261ACJ的部分參數(shù)
表2 MOSFET的部分參數(shù)
A:保護(hù)電路工作正常
根據(jù)公式:過電流檢測電壓 V = 放電電流 I x Rds(on) x 2 可以算出放電電流達(dá)到多少保護(hù)IC開始進(jìn)行保護(hù)作用。
當(dāng)過電流檢測電壓為 0.9V,MOS管內(nèi)阻取最大值時(shí)候,可以檢測過電流將為最小值。算出此時(shí)過電流值為15A ,此時(shí)保護(hù)IC保護(hù)延遲時(shí)間320us;當(dāng)過電流檢測電壓 1.5V,MOS管內(nèi)阻取最小值時(shí)候,可以檢測過電流將為最大值。算出此時(shí)過電流值為46.875A,此時(shí)保護(hù)IC保護(hù)延遲時(shí)間380us。即,需求保險(xiǎn)絲在46.875A時(shí)候熔斷時(shí)間要大于380us,才能保證短路保護(hù)情況下保險(xiǎn)絲不會先于保護(hù)IC熔斷。
B:保護(hù)電路工作異常
保護(hù)IC失效電路示意圖如圖2所示,此時(shí)保護(hù)IC對短路不能起到保護(hù)作用,當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路時(shí)候需要保險(xiǎn)絲快速熔斷。
圖2 保護(hù)IC失效電路示意圖
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考慮因素如下:
- 電芯電壓:3.8~4.2V
- 電芯內(nèi)阻: <150mΩ
- 保護(hù)板內(nèi)阻:MOS管內(nèi)阻+保險(xiǎn)絲內(nèi)阻(15mΩ)+PCB板內(nèi)阻(10mΩ)
- 短路負(fù)載內(nèi)阻:0~100mΩ
要考慮保險(xiǎn)絲的快速熔斷,所以就考慮短路電流的最小值,可以算出短路電流最小值11A。即保險(xiǎn)絲需在11A電流情況下快速熔斷。
綜合A,B兩種情況,單節(jié)鋰電池上選擇保險(xiǎn)絲需要考慮到保護(hù)IC的短路保護(hù)時(shí)間。
保險(xiǎn)絲在LED照明燈具中的應(yīng)用
對于LED照明燈具的過流保護(hù),應(yīng)從燈體的輸入電流來來考慮。LED照明燈具的輸入電流主要有直流輸入和電網(wǎng)交流輸入兩種最基本的類型,這兩種類型的主要區(qū)別在于驅(qū)動電源是否有交流轉(zhuǎn)直流的模塊。針對不同的輸入電流類型,其過流保護(hù)的方式有所不同,保險(xiǎn)絲的應(yīng)用應(yīng)根據(jù)具體的情況來考慮:
1、針對直流輸入類型的DC in保險(xiǎn)絲的選用,需要特別關(guān)注保險(xiǎn)絲的溫度折減系數(shù)參數(shù),由于大功率LED的發(fā)熱量比較大,在LED燈杯內(nèi)部的溫度相對較高,如果選用溫度折減比較大的保險(xiǎn)絲就會選擇電流較大的規(guī)格,在同樣的工作電流下,電流規(guī)格大的保險(xiǎn)絲的保護(hù)能力相對要降低一些;另外DC in的位置,由于后端都會使用電容濾波,會產(chǎn)生比較大的開機(jī)脈沖電流,所以在此部位選擇保險(xiǎn)絲需要注意嚴(yán)格考慮脈沖的條件,否則錯誤選項(xiàng)易造成保險(xiǎn)絲被開機(jī)脈沖沖斷現(xiàn)象,很難經(jīng)過很多次開關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)和浪涌電流實(shí)驗(yàn),在此推薦使用耐脈沖能力強(qiáng)的產(chǎn)品。
2、針對驅(qū)動輸出端的保險(xiǎn)絲選型,在注意保險(xiǎn)絲溫度折減系數(shù)的同時(shí),還需要考慮保險(xiǎn)絲的熔斷速度指標(biāo),由于此處電流波動不大,在電路出現(xiàn)異常或者元器件失效的情況下,需要快速切斷電路,保護(hù)后端的LED燈串,在此位置推薦選擇快斷類型和溫度折減小的保險(xiǎn)絲。
以上2種場合一般市場上有比較多的貼片低壓保險(xiǎn)絲可供選擇,比如AEM科技的SolidMatrix®技術(shù)的保險(xiǎn)絲,尺寸從0402到1206,電流規(guī)格從0.5到30A,有快斷、快快斷、耐高脈沖、慢斷等多個(gè)不同系列,不同規(guī)格,不同特性的產(chǎn)品供各位工程師選用。
3、而針對交流輸入LED照明的AC in位置,特別是LED球狀燈泡既需要考慮保險(xiǎn)絲的尺寸問題,又需要考慮保險(xiǎn)絲的耐電壓值??梢钥紤]選用AEM科技推出的AirMatrixTM AF2系列貼片保險(xiǎn)絲,該系列保險(xiǎn)絲具有體積小,可以承受250VAC的電壓,同時(shí)還具有高一致性、低內(nèi)阻、高耐脈沖能力等優(yōu)點(diǎn)。
雙保險(xiǎn)絲為大電流板級電路提供有效保護(hù)
保護(hù)電路板元器件不受越來越大電流的損壞是件復(fù)雜的事,因?yàn)闆]有現(xiàn)成滿足要求的保險(xiǎn)絲。提供保護(hù)的方法可以是仔細(xì)設(shè)計(jì)的雙保險(xiǎn)絲電路,或有足夠額定值的單個(gè)保險(xiǎn)絲。但是,由于不存在兩個(gè)完全相同的保險(xiǎn)絲,總有一個(gè)保險(xiǎn)絲承受的電流大于另一個(gè)。因此,即使線路電流是在規(guī)格范圍內(nèi),承擔(dān)較高負(fù)載的保險(xiǎn)絲仍會熔斷,于是很快另一個(gè)也會熔斷。如何解決這個(gè)難題?以下是保險(xiǎn)絲匹配以及確定電路額定值的一些指南,為雙保險(xiǎn)絲方案提供所需的保護(hù)。
UL標(biāo)準(zhǔn)保險(xiǎn)絲通常都有75%的降額因素,以保證能提供所需的電路保護(hù)。保險(xiǎn)絲的直流阻抗通常有15%的公差;因此在最差情況下,兩個(gè)隨機(jī)選擇保險(xiǎn)絲(相同額定電流,且來自同一制造商)的直流阻抗可以相差到35%(1.15 Rdc/0.85 Rdc = 1.35,即差35%)。如果兩個(gè)保險(xiǎn)絲的直流阻抗有很大差別,流經(jīng)的電流也會相差很大,電路保護(hù)就會出現(xiàn)問題。一般來說,一個(gè)保險(xiǎn)絲承受的電流要高于另一個(gè),可能工作在接近過流極限值處,而另一個(gè)則遠(yuǎn)低于安全極限。因此,用兩個(gè)保險(xiǎn)絲完成一種功能會影響到電路的過流保護(hù)。
除直流阻抗以外,另外一個(gè)重要的考慮因素是兩個(gè)保險(xiǎn)絲所處位置之間的溫度差。保險(xiǎn)絲是溫度敏感器件,它們的有效額定電流會隨著環(huán)境溫度的上升而減小。如果兩個(gè)并聯(lián)保險(xiǎn)絲中,其中一個(gè)的工作溫度高于另一個(gè),則它將有較小的有效額定電流,因此比另一個(gè)更早地進(jìn)入過載。
雖然使用兩個(gè)并聯(lián)保險(xiǎn)絲有著上述不確定性,但可以從以下四個(gè)方面著手改進(jìn)它們的工作可靠性:
1)兩個(gè)保險(xiǎn)絲必須盡可能地匹配。不僅它們的額定值要相同,確保兩個(gè)保險(xiǎn)絲是同時(shí)制造的也是一個(gè)不錯的想法。這樣能確保兩個(gè)保險(xiǎn)絲的直流阻抗盡可能匹配。
2)兩個(gè)保險(xiǎn)絲永遠(yuǎn)不可能均分電流。因此,要為組合增加20%的降額因素。
3)細(xì)心追蹤每個(gè)保險(xiǎn)絲的熱歷史。兩個(gè)保險(xiǎn)絲都應(yīng)保持在相同溫度下,包括環(huán)境溫度和正常工作溫度。因此,確定讓兩個(gè)保險(xiǎn)絲都暴露在相同的氣流中,引線或保險(xiǎn)絲管夾上都有相似的熱傳導(dǎo)機(jī)制。
4)最大斷路電流等于單個(gè)保險(xiǎn)絲的值,而不是兩個(gè)保險(xiǎn)絲最大斷路電流之和。同樣,最大斷路電壓也等于單個(gè)保險(xiǎn)絲的值,而不是兩個(gè)保險(xiǎn)絲斷路電壓之和。
遵守了以上的設(shè)計(jì)指南以后,流經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)保險(xiǎn)絲的電流基本相等,它們可以在低于自己過流極限條件下良好地工作。此外,當(dāng)出現(xiàn)過載事件時(shí),兩個(gè)保險(xiǎn)絲差不多在相同時(shí)間開路,為電路板的元器件提供保護(hù)。
保險(xiǎn)絲應(yīng)用設(shè)計(jì)的常見問題
保險(xiǎn)絲的額定電壓有什么意義?如何選擇保險(xiǎn)絲的熔斷特性和額定電流?慢熔斷保險(xiǎn)絲與快熔斷有什么不同的性能和應(yīng)用?一次性保險(xiǎn)絲和可恢復(fù)保險(xiǎn)絲的異同?相同額定電流的不同品牌保險(xiǎn)絲一定能夠直接替換嗎?為什么保險(xiǎn)絲常在開機(jī)時(shí)或剛接通電源時(shí)斷開?怎樣才使保險(xiǎn)絲能承受多次瞬間脈沖的沖擊?這些都是工程師在保險(xiǎn)絲的選型和應(yīng)用過程中經(jīng)常會遇到的問題,現(xiàn)在,通過專家的專業(yè)答疑和網(wǎng)友的熱烈討論,為你一一解答保險(xiǎn)絲的應(yīng)用難題。
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