随着科学技术的发展,电力/电子产品日益多样化、复杂化,所应用的电路保护元件己非昔日的简单的玻璃管保险丝,而是己经发展成为一个门类繁多的新兴电子元件领域。 2000年全球销售额达到44亿美元。例如,Littelfuse公司有15大类产品,2000年销售额达3.71亿美元;美国AEM公司的宇航级高可靠熔断器己广泛用于欧、美、日的各种航天器和新一代电子产品的重要部位的电路保护中。Cooper/Bussmann、GCL、RUSON裕华星 WickmannWerke、Schurter、Raychem、上海维安、上无十五厂、功得利、好利来、精科、兴勤、雅宝等厂家研发生产各种特性的电路保护元件,供客户选择。随着电子产品的更新换代,对可靠性和安全性的要求日益提高,尤其是我国加入WTO之后,世界电子产品组装业向中国转移,人们对各种电路保护元件的发展和应用将更加关注。本文对此作简要介绍。
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2电路保护元件的重要性日益增加
在各类电子产品中,设置过电流保护和过电压保护元件的趋势日益增强,之所以如此,归纳起来主要有以下几个方面的因素:
(1)随着电子产品发展的需求,IC的功能(集成度)也越来越强,其“身价”自然越来越**,因而需要加强保护。
(2)为了降低功耗、减少发热、延长使用寿命,半导体元件和IC的工作电压越来越低,据SIA(美国半导体行业协会)统计,目前工作电压在1.5V左右,到2004年将降到1.2V以下,因而其抗过电流/过电压的能力需要适应新的保护要求。
(3)移动式电子产品越来越多,如手持机、PDA、笔记本电脑、摄录机、数码相机、光盘机等,这些电子产品都需要电池组件作为电源,在电池组件和电池充电器中都必须配备保护元件。
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(4)在现代豪华型汽车中,装备的电子设备越来越多,而且工作条件比一般的电子产品更恶劣,如汽车行驶状况和环境瞬息万变、汽车起动时会产生很大的瞬间峰值电压等。因此,在为这些电子设备配套的电源适配器中,一般都需要同时安装过电流和过电压保护元件。
(5)众多电力/电子产品都需要防止雷击以及电源线与电话线的交扰,以保证正常通信和用户人身安全。所以,随着电力/电子产品的发展,过电流/过电压保护元件的需求呈上升趋势。
(6)据统计,在电子产品出现的故障中,有75%是由于过电流/过电压造成的。IBM曾分析过计算机电源的故障原因,其中88.5%是由于过电流/过电压造成的。随着人们对电子产品质量的苛求,制造厂家为了提高市场竞争力,**必须大量采用电路保护元件。
3过电流保护元件
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3.1通用金属丝型熔断器
这类熔断器主要是在玻璃或陶瓷管内置放金属保险丝而成,其特点是一次性使用,出现故障后需要更换。使用方便,价格低廉,仍是目前熔断器中数量**多的产品,品种规格齐全,广泛应用于各类电力/电子产品中。有些厂家的这类熔断器通过了UL认证,能够满足UL248和IEC127规范的要求。因此,安装这类熔断器的产品可以在世界各地销售。
3.2表面贴装型SMD熔断器
为了适应SMT的需求,近年来一些熔断器厂家开发了多种表面贴装型SMD熔断器。美国 AEM公司**近在网上发表了叠层多元独石SMD熔断器(USPatent6,034,589: MultilayerandMultielementMonolithicSurfaceFuse),它是用该公司的UV**工艺制造的陶瓷叠层元件,相当于将几个熔断丝并联,因而它具有体积小、能量密度大、独石结构可靠性高、精度高、响应速度快、易与其它元件集成等诸多优点,是目前世界上单位体积承受功率**的SMD熔断器,其封装系列有0402/0603/0805/1206等。又如Littelfuse公司**近推出一种0402封装的快速响应 SMD熔断器,其外形结构与尺寸如图1所示,性能曲线如图2所示,它是在环氧树脂基体上制作金属薄膜熔断丝,聚合物包封。当负荷电流为额定电流的200%时,断开时间为5s,当为300%时,断开时间不超过0.2s。断开后的隔离电阻大于10kΩ。工作温度范围为-55℃~90℃。其特点是瞬间电流响应速度快、额定电流**。该公司的0603封装系列的性能为0.25A/32V~5A/32V;1206系列为0.5A/63V~3A/32V。AVX公司在氧化铝陶瓷基体上制作金属簿膜熔断丝的AccuGuard系列SMD熔断器,封装尺寸为0402/0603/0805/1206,从0.25A/32V 至3A/63V。
BUSSMANN、WICKMANN、Schurter等公司也有同类产品供用户选择,这类熔断器可用于**电脑、电信、数据传送系统,为关键的IC和重要的电路部位提供过流保护。
慢熔断保险丝断开所需时间较长,但仍会出现故障跳变。因此这里也建议执行至少50%的调降。
多状态保险丝有一个非常好的特性,即错误清除后能够以极低的成本进行高效恢复。每次跳变后,后续跳变点阀值**会降低,也**是说更容易发生跳变。因此,误跳变几率会随时间的推移而升高。
智能保险丝或三端保险丝是既可通过指令熔断,也可因过流而熔断的器件。通常,这种保险丝不但成本比以上方案高很多,而且还需要电源电压保持在一定的高度,才能真正熔断保险丝。否则,在出现故障时所有部件都会变得很热,而且可能不会引起安全关断。
所有这四种方案都具有会导致故障跳变的两大主要问题。首先,它们无法限制上电时或掉电后进入系统的浪涌电流。其次,由于它们都需要调降,因此可能会允许充足的电流通过系统故障部位,使故障电路进一步发热,导致更严重的故障。例如,一个额定5A的12V系统可能会试图使用10A甚至更高额定值的保险丝。在短路且电源工作良好的情况下,这可能会为故障电路输入高达120W的功率。
浪涌管理
大部分故障跳变都是由浪涌电流导致的。**限度降低浪涌电流的低成本方法可能是采用一个P通道FET和几个电阻器电容器实施(图1)。
当然,该电路在开始工作时**会出现输入电压。因此通常要等到检测到输入电源良好的信号后才能启动电路。图2给出了一种可行的实施方案,即采用一个视窗压缩器(compactor)来确保12VAC适配器电压处于10.8与13.2V之间。只要TPS3700等宽泛电源电压视窗压缩器能看到适配器处于有效电压视窗范围内**可启用通过Q1的电源路径。
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这可能适用于一部分设计,但这些方案也有几个固有的问题:
取决于负载电容的大小,这两种方案都可能会超出FET的安全工作范围(SOA);
一旦启用**无法限制进入负载的电流;
如果负载短路,FET很可能启动失败。这种情况可能发生在保险丝之前,因此**好的缓解方法是使用额定值远远高于应用所需功率耗散的FET,因此,这也是一个更高成本的解决方案。
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保险丝
MAX810L(微功耗器件)具有非平衡推挽输出级。当对外输出电流时,它等效于一个6kΩ电阻;当从外汲取电流时,它等效于一个125Ω的电阻。当导通或关断Q1时,由于MAX810L的电阻阻止了Q1的密勒电容和栅源电容快速充放电,因此使开关瞬态过程得以减慢。假定Q1总的等效电容为5000pF时,则MAX810汲取电流时(等效于125Ω电阻)大电流三极管的RC电路的时间常数约为0.6μs。整个导通过程电压瞬态响应时间大约为10RC=6μs。完全关断同样开关Q1的时间大约是完全导通时间的48倍。
当外部负载或C2在启动瞬间要汲取较大电流时,快速导通Q1可能使MAX810输入电压低于其复位门槛电压从而导致复位出现,因此在图2基础上再增加一RC网络以减缓其开通过程,合适地选择R、C可使负载连接过程延续到几个MAX668开关工作周期,使MAX668的输出电压一直高于MAX810的复位门槛电压。假如R、C使Q1的导通时间延长,同时也延长了关断时间。因此需要在电阻上并联一肖特基二极管,以加速当负载过载时关闭Q1的进程。
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为了获得增强型通道及较低的导通电阻,上述电路均需要采用逻辑电平控制的P沟道MOSFET,如果Q1的导通电阻值较大且在其两端产生较大的压降(特别是低输出电压应用场合或负载离电源的距离较远时),则应该从Q1漏极端反馈电压调节输出。设计电路时,必须**小化寄生参数同时仔细考虑电路布局。利用一个SOT23封装的低电压模拟开关(MAX4544)可实现上述远端调节,该开关受控于MAX810L的输出,如图4所示。
根据MAX4544产品参数,其**低工作电压为2.7V。由于输入电压为3.3V,而肖特基的正向管压降为0.3V,因此即使该升压变换处于关闭模式,MAX4544(及MAX810)也处于工作状态。此时,MAX810输出高电平,MAX4544的公共端COM与其常开端NO(Q1的源极)相连。当MAX668使能时,与MAX4544公共端相连的电阻网络为MAX668提供反馈电压。由于5V电压时MAX4544的导通电阻**可达60Ω,因此为了得到**小输出电压误差,反馈电阻的取值应该很大。由于3V工作电压时,MAX4544的导通电阻仅为120Ω,因此开关MAX4544引入的误差电压很小,即使低输出电压也是如此。
当使能升压变换器,且其输出电压超过MAX810的复位门槛电平并经过复位延迟后,MAX810的输出将由高变低,使Q1导通,连通负载。同时,MAX810输出的低电平使MAX4544的COM端与NC端(常闭端)接通,使得反馈电阻由Q1的源极切换至Q1的漏极,从而允许从远离变换器的负载端对输出电压进行调节。
上述MAX4544的开关过程也把MAX810的输入端从Q1的源极切换到Q1的漏极,这样一来,MAX810可以用来监测负载是否过载。
高压保险
高压熔丝在高压电塔与电线杆上,经常使用兼具启断开关功能的熔丝链开关 (Fuse Cutout),作为输配电系统的过电流或短路保护。
按额定电压分,可分为:高压保险丝、低压保险丝和安全电压保险丝。
按分断能力分,可分为:高、低分断能力保险丝。
按形状分,可分为:平头管状保险丝(又可分为内焊保险丝与外焊保险丝)、尖头管状保险丝、铡刀式保险丝、螺旋式保险丝、插片式保险丝、平板式保险丝、裹敷式保险丝、贴片式保险丝。
按材料分,可分为:玻璃保险管,陶瓷保险管。
按熔断速度分,可分为:特慢速保险丝(一般用TT表示)、慢速保险丝(一般用T表示)、中速保险丝(一般用M表示)、快速保险丝(一般用F表示)、特快速保险丝(一般用FF表示)。
按标准分,可分为:欧规保险丝(VDE)、美规保险丝(UL)、日规保险丝(PSE)。
按类型分,可分为:电流(贴片保险丝、微型保险丝、插片保险丝、管状保险丝),温度保险丝(RH[方块型]、RP[电阻型]、RY[金属壳]),自恢复保险丝(插件、叠片、贴片)"};