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標題: 電路保護元件的發展與應用 [打印本頁]

作者: eetech 時間: 2010-9-26 14:25
標題: 電路保護元件的發展與應用
1 引言

隨著科學技術的發展,電力/電子產品日益多樣化、復雜化,所應用的電路保護元件己非昔日的簡單的玻璃管保險絲,而是己經發展成為一個門類繁多的新興電子元件領域。2000年全球銷售額達到44億美元。例如,Littelfuse公司有15大類產品,2000年銷售額達3.71億美元;美國AEM公司的宇航級高可靠熔斷器己廣泛用于歐、美、日的各種航天器和新一代電子產品的重要部位的電路保護中。Cooper/Buss?mann、GCL、Wickmann?Werke、Schurter、Raychem、上海維安、上無十五廠、功得利、好利來、精科、興勤、雅寶等廠家研發生產各種特性的電路保護元件,供客戶選擇。隨著電子產品的更新換代,對可靠性和安全性的要求日益提高,尤其是我國加入WTO之后,世界電子產品組裝業向中國轉移,人們對各種電路保護元件的發展和應用將更加關注。本文對此作簡要介紹。

2 電路保護元件的重要性日益增加

在各類電子產品中,設置過電流保護和過電壓保護元件的趨勢日益增強,之所以如此,歸納起來主要有以下幾個方面的因素：

（1）隨著電子產品發展的需求,IC的功能(集成度)也越來越強,其“身價”自然越來越高貴,因而需要加強保護。

（2）為了降低功耗、減少發熱、延長使用壽命,半導體元件和IC的工作電壓越來越低,據SIA(美國半導體行業協會)統計,目前工作電壓在1.5V左右,到2004年將降到1.2V以下,因而其抗過電流/過電壓的能力需要適應新的保護要求。

（3）移動式電子產品越來越多,如手持機、PDA、筆記本電腦、攝錄機、數碼相機、光盤機等,這些電子產品都需要電池組件作為電源,在電池組件和電池充電器中都必須配備保護元件。

（4）在現代豪華型汽車中,裝備的電子設備越來越多,而且工作條件比一般的電子產品更惡劣,如汽車行駛狀況和環境瞬息萬變、汽車起動時會產生很大的瞬間峰值電壓等。因此,在為這些電子設備配套的電源適配器中,一般都需要同時安裝過電流和過電壓保護元件。

（5）眾多電力/電子產品都需要防止雷擊以及電源線與電話線的交擾,以保證正常通信和用戶人身安全。所以,隨著電力/電子產品的發展,過電流/過電壓保護元件的需求呈上升趨勢。

（6）據統計,在電子產品出現的故障中，有75％是由于過電流/過電壓造成的。IBM曾分析過計算機電源的故障原因,其中88.5％是由于過電流/過電壓造成的。隨著人們對電子產品質量的苛求,制造廠家為了提高市場競爭力,就必須大量采用電路保護元件。

3 過電流保護元件

3.1 通用金屬絲型熔斷器

這類熔斷器主要是在玻璃或陶瓷管內置放金屬保險絲而成,其特點是一次性使用,出現故障后需要更換。使用方便,價格低廉，仍是目前熔斷器中數量最多的產品，品種規格齊全，廣泛應用于各類電力/電子產品中。有些廠家的這類熔斷器通過了UL認證,能夠滿足UL248和IEC127規范的要求。因此,安裝這類熔斷器的產品可以在世界各地銷售。

3.2 表面貼裝型SMD熔斷器

為了適應SMT的需求,近年來一些熔斷器廠家開發了多種表面貼裝型SMD熔斷器。美國AEM公司最近在網上發表了疊層多元獨石SMD熔斷器（USPatent6,034,589:MultilayerandMulti?elementMonolithicSurfaceFuse）,它是用該公司的UV專利工藝制造的陶瓷疊層元件，相當于將幾個熔斷絲并聯，因而它具有體積小、能量密度大、獨石結構可靠性高、精度高、響應速度快、易與其它元件集成等諸多優點，是目前世界上單位體積承受功率最大的SMD熔斷器，其封裝系列有0402/0603/0805/1206等。又如Littelfuse公司最近推出一種0402封裝的快速響應SMD熔斷器,其外形結構與尺寸如圖1所示,性能曲線如圖2所示，它是在環氧樹脂基體上制作金屬薄膜熔斷絲,聚合物包封。當負荷電流為額定電流的200％時,斷開時間為5s,當為300％時,斷開時間不超過0.2s。斷開后的隔離電阻大于10kΩ。工作溫度范圍為－55℃～90℃。其特點是瞬間電流響應速度快、額定電流精確。該公司的0603封裝系列的性能為0.25A/32V～5A/32V;1206系列為0.5A/63V～3A/32V。AVX公司在氧化鋁陶瓷基體上制作金屬簿膜熔斷絲的Accu?Guard系列SMD熔斷器，封裝尺寸為0402/0603/0805/1206,從0.25A/32V至3A/63V。BUSS?MANN、WICKMANN、Schurter等公司也有同類產品供用戶選擇,這類熔斷器可用于高檔電腦、電信、數據傳送系統,為關鍵的IC和重要的電路部位提供過流保護。

圖1金屬薄膜表面貼裝型熔斷器的結構和尺寸（Littelfuse公司）

圖2金屬薄膜表面貼裝型熔斷器的特性曲線（Littelfuse公司）

3.3 高可靠厚膜固態熔斷器

這是美國AEM公司的專利產品,有多種規格,從低壓到高壓,目前最高電壓可達DC660V/100A，完全符合MIL?PRF?23419/12(即FM12)的要求,并保持了多年零故障的優異記錄。AEM公司是世界上唯一被美國航天總署NASA認證的FM12型高可靠熔斷器生產廠家,也被列入美國國防部QPL表。這種高可靠固態熔斷器主要用于航天和軍事裝置。休斯公司、馬丁公司、TRW等歐、美、日著名宇航公司均采用這種產品。

這種固態熔斷器分引線式和片式兩種類型。它是在陶瓷基體上用厚膜工藝制備設定形狀的特殊合金導電帶,這種合金導電帶的電阻具有正溫度系數。用特殊的樹脂包封，圖3是其結構示意圖。這種FM12型高可靠固態熔斷器具有以下特點:其熔斷特性與周圍環境的真空度無關(FM08型高可靠陶瓷管－金屬絲熔斷器與周圍真空度有密切關系);由于是固態結構,可承受強烈的振動,達30g/3kHz(FM08型為10g/2kHz),耐沖擊達1.5kg(FM08為100g);在過電流熔斷時,由于特殊樹脂的嚴密包封,不會發生爆炸現象,也不會出現電弧、氣體、微顆粒等污染;結構緊湊，體積小。表1是陶瓷管-金屬絲型熔斷器(FM08A)的特性數據。表2和圖4是美國AEM公司生產的高可靠固態熔斷器(FM12)的典型數據和特性曲線。可以看出,AEM生產的這種熔斷器,不僅規定了最大斷開時間(ClearingTime)，而且給出了最小斷開時間。其它廠家的熔斷器幾乎都不提供這一數據,而在設計某些要求嚴格的電路時需要這些數據。

圖3高可靠厚膜固態熔斷器的結構（美國AEM公司）

圖4高可靠固態熔斷器（FM12型）特性曲線（美國AEM公司）

3.4 有機高分子聚合物自恢復型保險絲

這類保險絲是近年由美國Raychem公司最先開發的新型過電流保護元件,它實質上是一個正溫度系數熱敏電阻器。它是在有機高分子聚合物中加入導電顆粒而構成的，其特點是具有自恢復性,即過電流之后又恢復到常態,不必更換,也不必一定將它安置在電子產品中手可觸及的部位，因而給用戶帶來許多便利,很受歡迎。不足之處是阻抗較高。一般說來,在電路正常狀態下,其阻抗比相同的金屬型熔斷器較高,這樣,就增加了電子產品的電能消耗。在某些電路中,由于其電阻大而產生熱噪聲。與金屬型熔斷器比較,其響應速度慢，存在老化現象。在個別電路中,當發生過電流時,它起保護作用,使電路回到正常狀態。但若引發過電流的故障原因未被及時排除,則會出現過電流狀態——正常狀態——過電流狀態的反復循環,從而給電路帶來麻煩，需要與其它保護元件組合使用。雖然這種過電流保護元件還有一些不足之處,但它的自恢復性優點是很吸引人的,各生產廠家都在研究改進,主要方向是提高耐電壓/電流、降低電阻、提高強度和穩定性,并日益取得進展。如Raychem公司最新的miniSMDM75/24型,24V,40A及miniSMDM260型,8V,40A。尺寸為4.5mm×3.2mm，適用于鍵盤、鼠標器、主機板、顯示器、電源適配器等。TycoElectronics公司生產TSL250?080型產品,它可以承受2/10μs,800V,100A的放電,專用于建筑物內部的電信系統,以防止120V或250V交流電故障。

3．5 PTCR和NTCR

PTCR和NTCR是己被廣泛應用的過電流保護和溫控元件。一般說來,作為電路保護元件,大多采用PTCR;而作為溫度控制、溫度補償元件,大多采用NTCR。近年來,除引線型分立元件外,片式PTCR/NTCR具有顯著的優點,發展很快。

3．5．1 片式陶瓷PTCR

隨著SMT的發展,片式陶瓷PTCR的需求快速增加。一般的溫度動態范圍在85℃～150℃,精度達±5℃。但由于BaTiO3的固有特性,致使單層型片式PTCR的阻值較高,不能滿足某些電路的要求;疊層型片式PTCR相當于多個很薄的PTCR的并聯,因而不僅能明顯地減少其阻值,而且提高了其熱響應速度。將它以適當方式貼在半導體功率管和IC芯片上,就可以有效地保護這些關鍵器件。若在LCD控制電路中加入PTCR,則可以在寬溫度范圍內保持良好的顯示效果。然而，這種疊層型片式PTCR的制造工藝難度大,目前國內尚處于開發初期，但人們一致認為其發展前景十分廣闊。

圖5疊層型陶瓷壓敏電阻器特性曲線（深圳順絡公司）

3．5．2 片式陶瓷NTCR

它的阻值隨著溫度的升高呈現指數形式下降,阻值隨溫度的變化率一般為百分之幾，因而其測溫精度很高,而且結構簡單,使用方便，獲得廣泛應用。特別是近年來,移動通信飛速發展,需用大量的溫補晶體振蕩器,這就為NTCR提供了巨大市場。從結構上講,片式NTCR除了玻璃管封裝形式外，還有單層型和多層型之分。一般熱敏陶瓷材料的電阻率決定于該材料的熱激活能,因而B值高時電阻率也高。所以，單層型NTCR難以同時保持高B值、低電阻的特性,如果將電阻降至300Ω,B值就可降到3000。反之,疊層型片式NTCR卻可以同時實現低電阻和高B值,如SIEMENS公司的C1621型疊層片式NTCR,電阻降到幾十歐姆時,B值仍能保持在3500以上。深圳順絡公司的STH1608型,電阻為100Ω時,B值為3150,為國內一流水平。

4 過電壓保護元件

在電子設備中，經常出現瞬間尖峰電壓和浪涌電壓,兩者有所不同，前者持續時間短,但電壓峰值范圍大,從mV級到kV級;后者持續時間長,可達ms乃至s級,但其幅度可為正常值的數倍，可以統稱為過電壓狀態，它們都會給電路帶來麻煩。特別是近年來向高速數字化發展,半導體器件和IC的工作電壓越來越低,大大增加了遭受過電壓和靜電放電(ESD)危害的幾率。面對這樣的狀況,出現了多種過電壓保護元件,如TVS二極管、陶瓷壓敏電阻器、瞬態電壓抑制器（Surgector）、ESD抑制器等。

4.1 疊層型片式陶瓷壓敏電阻器（MultilayerChipVaristor）

陶瓷壓敏電阻器作為過壓保護元件己有多年歷史,得到廣泛應用。但由于其壓敏電壓與兩個電極間的距離成比例,通流量與電極面積成比例,所以傳統的引線型陶瓷壓敏電阻器在體積上和性能上都滿足不了現代電子產品電路的過電壓保護要求;近年來人們使用更精細的MLCC工藝制造的疊層型片式陶瓷壓敏電阻器克服了這些技術難關。同時，具備壓敏電壓低(可低到2V左右)、響應速度快(為ns級)、通流量大、溫度特性好、體積小、適合SMT組裝等諸多優點.特別適用于LCD、鍵盤、I/O接口、IC、ASIC、MOSFET、CMOS、傳感器、霍爾元件、激光二極管、前置放大器、聲頻電路等電路中的過電壓保護，發展前景十分廣闊。雖然剛剛開發,卻受到普遍重視,例如，電容僅有10pF的0402規格的疊層型片式壓敏電阻器可很好地應用在移動通信和筆記本電腦中。日本Murata公司在網上推出VCM18R系列,TDK公司近日也推出AVR－M系列。我國深圳順絡電子公司開發了0402、0603、0805、12064種封裝尺寸的疊層型片式陶瓷壓敏電阻器,其工作電壓范圍為2.5V～23.1V,圖5是其典型的電壓敏特性曲線。這類新產品是最被看好的一種過電壓保護元件,預計其年增長率將超過30％。

4.2 多功能組合件

如上所述,瞬態電壓的變化范圍很寬,情況復雜,加之可能同時伴隨浪涌電流及熱效應的影響,因而有時僅靠一個電路保護元件是不夠的，需要將幾個保護元件組合在一起，例如壓敏電阻/陶瓷電容器組合。據報道,AVX公司最近推出TransFeed系列疊層陶瓷瞬態電壓抑制器,兼備壓敏電阻器抑制過電壓和穿心電容器濾除高頻EMI的作用。片式壓敏陣列、片式壓敏/電容陣列也出現在市場上。EPCOS公司正在研究將壓敏、熱敏、浪涌抑制元件集成在一起的模塊。這個領域正呈現出一派生機勃勃的景象。

4.3 內置ESD保護IC

半導體工藝越來越精細,IC的功能越來越強大,而且工作電壓越來越低。這就導致IC的抗ESD能力明顯降低，需要增加保護元件。這樣,既麻煩又增加元器的數目。為此,一些IC廠家將ESD保護功能置于芯片內部,制造出自身能防護ESD的IC，如MAXIM公司開發的RS-232接口IC、RS-485接口IC等,自身都具有防ESD的功能。

5 國內產業的狀況

國內企業仍以傳統的玻璃管金屬絲型熔斷器為主要產品。我國臺灣和香港特區的多家企業到大陸建廠,也是以玻璃管金屬絲型為主。在國內,有些廠家已開始生產可恢復聚合物保險絲、疊層型片式熱敏電阻器和壓敏電阻器。由于技術難度較高，宇航級高可靠固態熔斷器和高能量密度SMD熔斷器仍處于空白狀態。

作者: spy007868 時間: 2013-11-15 08:29
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