【導讀】熱保險絲是最古老的電路保護裝置，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)管標準。然而，隨著最終產(chǎn)品的復雜性增加、尺寸縮小，設計人員需要為用戶可更換的保險絲和保險絲座找到一種替代產(chǎn)品，以減少外形尺寸，簡化裝配，提高堅固性并進一步增加安全性。
而且，設計人員可以在不影響性能的情況下使用表面貼裝器件 (SMD)。SMD保險絲采用了多種技術，實現(xiàn)了熱熔斷以及各種必要的保險絲特性，如快熔和慢熔。
本文將簡要介紹熔斷、電路保護和設計注意事項。然后將詳細介紹Bourns的SMD保險絲及其主要特性及應用方式。
經(jīng)久耐用的基本型保險絲
傳統(tǒng)的保險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裝置。這種保險絲性能可靠、簡單易懂，在提供單一的過流保護功能方面具有一致性。當電流水平超過保險絲設計確定的值時，會將電路永久性地徹底斷開，從而中斷電流。
根據(jù)圖形標準不同，傳統(tǒng)保險絲會用不同的符號表示。這種保險絲內(nèi)含一根金屬線，在設計、尺寸和材料方面都進行了精確的工程設計（圖1）。當通過這個易熔連接的電流超過預先設定的限制時間足夠長時，這個連接就會因為自熱而熔化。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)所采用的標準不同，可用以下原理符號中的一種來表示保險絲。（圖片來源：ClipArtKey.com）
保險絲有多種封裝類型，如著名的3AG小型玻璃管保險絲，直徑為?英寸，長1?英寸。對于每個保險絲和額定電流，供應商提供了詳細的圖表，說明了過流值與保險絲元件因熔化而阻止電流流經(jīng)保險絲所需的累計時間之間的關系。該值被稱為額定I2t，表示電流流動產(chǎn)生的熱能，單位為安培2秒 (A2s)。
保險絲并不是設計人員唯一使用的電路保護器件。還有其他一些無源器件，通過限制、阻斷、分流或"撬動"過大的電流或電壓浪涌來實現(xiàn)其他形式的保護。但是，這些都不會像保險絲那樣明確、永久性地切斷電流。這類器件不能取代保險絲功能，但在保險絲不合適用于保護或者在技術上有意義的情況下作為保險絲的補充器件時，可以使用這類器件。這類電路保護器件大家眾所周知，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自恢復保險絲
和保險絲一樣，以上每種保護器件都能提供電路保護，并且因保險絲具有一致性、直接動作和不可逆等特點，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
當與合適的保險絲座或插座配合使用時，熱保險絲通常被認為是可現(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、機頂盒、小型電池充電器、AC/DC墻插適配器和玩具）；中等功率設備（包括電動工具、工業(yè)控制器和消費類發(fā)電機），甚至高功率系統(tǒng)（如電動汽車 (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絲來保護大電路中不同的子電路，而不是整個產(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小型密封產(chǎn)品， 在這種情況下，采用保險絲主要是為了保護電池及其充電電路，且最終用戶無法進入內(nèi)部。
● 從安全角度來講，除非知道保險絲熔斷的實際原因，比如機械人員無意中觸動了電源軌，將其與汽車底盤連接，否則僅僅是因為容易更換而進行更換帶來的后果輕則浪費時間，重則產(chǎn)生風險。例如，如果保險絲是鋰基電池及其充電電路的保護電路的一部分，那么保險絲就是該功能的關鍵器件。因此，一定要找到保險絲"熔融"的根本原因，而不是盲目地更換保險絲。
● 由于腐蝕、振動和其他工作環(huán)境因素，保險絲座及其觸頭會出現(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絲在PC板上的占地面積會更小，外形更扁平。
為了實現(xiàn)像SMD器件一樣的小型無底座保險絲，從而能使用標準電路板裝配和焊接設備，就必須擺脫傳統(tǒng)保險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保險絲應對現(xiàn)代設計挑戰(zhàn)
通過整合材料、技術、配方和制造技術，Bourns開發(fā)出一系列SMD保險絲，可在較寬的電流和工作電壓范圍內(nèi)提供熱保險絲功能。Bourns的SinglFuse SMD保險絲產(chǎn)品組合采用了七種不同的保險絲結構技術：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保險絲組成，但要實現(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絲技術。（圖片源：Bourns）
由于采用了多種技術和結構方法，SinglFuse廣泛的產(chǎn)品系列包含了具有各種關鍵參數(shù)的保險絲，具體如額定電流、額定電壓、分斷能力、I2t和工作溫度等。此外，SinglFuse產(chǎn)品符合UL、TUV和VDE標準，符合UL 248和IEC 60127標準，從而簡化了產(chǎn)品整體認證途徑。對于需要在寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)全規(guī)格和可靠運行的汽車應用（眾多汽車的強制要求之一）或其他惡劣的工作環(huán)境，可提供符合AEC-Q200標準的保險絲。
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受限。而SinglFuse器件則不會出現(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，保險絲供應商開發(fā)出了具有獨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特性，具體包括：
● 快斷
● 快斷精度：關鍵規(guī)范的公差更嚴格
● 慢熔：處理超過保險絲額定電流的暫時浪涌電流
● 延時：允許電浪涌在實際熔融前的短時間內(nèi)發(fā)生
● 高浪涌電流：用于過大啟動電流
請注意，這些“個性”不同的保險絲的電流與時間曲線的具體規(guī)范在各自的規(guī)格書中都有相應的規(guī)定，設計人員應加以研究，以獲得與應用最匹配的保險絲。
額定電流的極值：界定性能范圍
設計人員可以在廣泛的標稱電流值范圍內(nèi)使用SMD保險絲。例如，SF-2410FP0062T-2快動精密SMD保險絲采用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精密SMD保險絲。（圖片源：Bourns）
這款保險絲工作電壓為125V AC/DC，額定電流62毫安 (mA)，典型額定I2t為0.0012 A2s。雖然頂層總結規(guī)范規(guī)定了保險絲應在電流達到額定電流的200%時在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間電流特性（圖4）和I2t額定值（圖5），這是保險絲響應時間的關鍵指標。當保險絲在其額定電流范圍內(nèi)工作時，由于其電阻約為6歐姆 (Ω)，因此設計人員應注意通過保險絲的IR壓降；該電壓降低于最大值40毫伏 (mV)。
圖4：SF-2410FP0062T-2的規(guī)格書包括保險絲從極低電流到標稱最大值的電流時間特性的詳細信息，該參數(shù)定義了保險絲的電流響應曲線。（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慢熔保險絲（圖6）具有非常不同的范圍和性能曲線。這種保險絲是一種7A器件，當電流達到器最大額定電流的250%時在5秒內(nèi)斷開。
圖6：Bourns SF-1206S系列的SF-1206S700慢熔表面貼裝保險絲器件采用了7A器件，當電流達到最大額定電流的250%時在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，鑒于其薄膜結構，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保險絲的剖面圖說明了其復雜的制造材料和技術。（圖片源：Bourns）
雖然該保險絲的規(guī)格書中有與SF-2410FP-T 62mA保險絲類似的圖形，但作為慢熔保險絲，它還需要一條“I2T降額曲線與中繼器浪涌電流”曲線，以便進一步定義慢熔保險絲在反復全開關電路工作時的性能（圖8）。
圖8：慢熔保險絲經(jīng)常會受到反復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絲特性的影響。（圖片源：Bourns）
對于設計人員來說，動手評估不同保險絲的類型、額定值和尺寸是非常有用的，但這樣做需要面對一個挑戰(zhàn)。與有源元件（如運放）或無源元件（電阻、指示燈、電容）不同，保險絲是一次性器件，只有通過推動保險絲有效自毀，才能進行全面測試。因此，手頭有多種不同保險絲的參數(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，幫助設計人員快速完成原型測試（圖9）。該套件包含0402、0603和1206規(guī)格保險絲（公制1608 - 3216）中的18種慢熔保險絲各5種（共90個）；類似的SF-FP-LAB1套件包含采用0402 - 1206（公制1005 - 3216）封裝的160快熔精密保險絲（32值，每個值各5個）。
圖9：由于測試經(jīng)常會需要保險絲自毀，因此，像SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab這樣的慢熔保險絲設計套件可以減輕設計人員在尺寸、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
盡管概念簡單，但熱保險絲基于先進的熱、材料和制造方面的考慮因素，是一種復雜的無源電氣和機械元件。隨著電路和產(chǎn)品的不斷縮小，使得用戶更換保險絲越來越不切實際、不明智，甚至是危險的，因此顯而易見的是市場需要表面貼裝器件 (SMD) 保險絲，而且這種保險絲和其他SMD器件具有同樣的處理方式。此外，SMD保險絲簡化了裝配和制造工藝，降低了設計對振動和腐蝕的敏感性。
如圖所示，Bourns SinglFuse系列SMD保險絲為設計人員提供了廣泛的過流保護范圍和類型，以滿足當今產(chǎn)品和PCB制造工藝的需求。
本文參考文獻：
IEEE 2007 年第 8 屆國際電力保險絲及其應用會議，《保險絲的起源》
來源：得捷電子DigiKey，作者：Bill Schweber
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