電路保護(hù)元件的發(fā)展與應(yīng)用

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1 引言  

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電力/電子產(chǎn)品日益多樣化、復(fù)雜化,所應(yīng)用的電路保護(hù)元件己非昔日的簡單的玻璃管保險(xiǎn)絲,而是己經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)門類繁多的新興電子元件領(lǐng)域。2000年全球銷售額達(dá)到44億美元。例如,Littelfuse公司有15大類產(chǎn)品,2000年銷售額達(dá)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(chǎn)品的重要部位的電路保護(hù)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(fā)生產(chǎn)各種特性的電路保護(hù)元件,供客戶選擇。隨著電子產(chǎn)品的更新?lián)Q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(chǎn)品組裝業(yè)向中國轉(zhuǎn)移,人們對各種電路保護(hù)元件的發(fā)展和應(yīng)用將更加關(guān)注。本文對此作簡要介紹。  

2 電路保護(hù)元件的重要性日益增加

在各類電子產(chǎn)品中,設(shè)置過電流保護(hù)和過電壓保護(hù)元件的趨勢日益增強(qiáng),之所以如此,歸納起來主要有以下幾個(gè)方面的因素：  

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

（2）為了降低功耗、減少發(fā)熱、延長使用壽命,半導(dǎo)體元件和IC的工作電壓越來越低,據(jù)SIA(美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì))統(tǒng)計(jì),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(yīng)新的保護(hù)要求。  

（3）移動(dòng)式電子產(chǎn)品越來越多,如手持機(jī)、PDA、筆記本電腦、攝錄機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、光盤機(jī)等,這些電子產(chǎn)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(hù)元件。  

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

（5）眾多電力/電子產(chǎn)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(chǎn)品的發(fā)展,過電流/過電壓保護(hù)元件的需求呈上升趨勢。  

（6）據(jù)統(tǒng)計(jì),在電子產(chǎn)品出現(xiàn)的故障中，有75％是由于過電流/過電壓造成的。IBM曾分析過計(jì)算機(jī)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(chǎn)品質(zhì)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(hù)元件。  

3 過電流保護(hù)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(nèi)置放金屬保險(xiǎn)絲而成,其特點(diǎn)是一次性使用,出現(xiàn)故障后需要更換。使用方便,價(jià)格低廉，仍是目前熔斷器中數(shù)量最多的產(chǎn)品，品種規(guī)格齊全，廣泛應(yīng)用于各類電力/電子產(chǎn)品中。有些廠家的這類熔斷器通過了UL認(rèn)證,能夠滿足UL248和IEC127規(guī)范的要求。因此,安裝這類熔斷器的產(chǎn)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(yīng)SMT的需求,近年來一些熔斷器廠家開發(fā)了多種表面貼裝型SMD熔斷器。美國AEM公司最近在網(wǎng)上發(fā)表了疊層多元獨(dú)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(dāng)于將幾個(gè)熔斷絲并聯(lián)，因而它具有體積小、能量密度大、獨(dú)石結(jié)構(gòu)可靠性高、精度高、響應(yīng)速度快、易與其它元件集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)SMD熔斷器,其外形結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1所示,性能曲線如圖2所示，它是在環(huán)氧樹脂基體上制作金屬薄膜熔斷絲,聚合物包封。當(dāng)負(fù)荷電流為額定電流的200％時(shí),斷開時(shí)間為5s,當(dāng)為300％時(shí),斷開時(shí)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(diǎn)是瞬間電流響應(yīng)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(chǎn)品供用戶選擇,這類熔斷器可用于高檔電腦、電信、數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng),為關(guān)鍵的IC和重要的電路部位提供過流保護(hù)。  


圖1金屬薄膜表面貼裝型熔斷器的結(jié)構(gòu)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(tài)熔斷器  

這是美國AEM公司的專利產(chǎn)品,有多種規(guī)格,從低壓到高壓,目前最高電壓可達(dá)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(yōu)異記錄。AEM公司是世界上唯一被美國航天總署NASA認(rèn)證的FM12型高可靠熔斷器生產(chǎn)廠家,也被列入美國國防部QPL表。這種高可靠固態(tài)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(chǎn)品。  

這種固態(tài)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(shè)定形狀的特殊合金導(dǎo)電帶,這種合金導(dǎo)電帶的電阻具有正溫度系數(shù)。用特殊的樹脂包封，圖3是其結(jié)構(gòu)示意圖。這種FM12型高可靠固態(tài)熔斷器具有以下特點(diǎn):其熔斷特性與周圍環(huán)境的真空度無關(guān)(FM08型高可靠陶瓷管－金屬絲熔斷器與周圍真空度有密切關(guān)系);由于是固態(tài)結(jié)構(gòu),可承受強(qiáng)烈的振動(dòng),達(dá)30g/3kHz(FM08型為10g/2kHz),耐沖擊達(dá)1.5kg(FM08為100g);在過電流熔斷時(shí),由于特殊樹脂的嚴(yán)密包封,不會(huì)發(fā)生爆炸現(xiàn)象,也不會(huì)出現(xiàn)電弧、氣體、微顆粒等污染;結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。表1是陶瓷管-金屬絲型熔斷器(FM08A)的特性數(shù)據(jù)。表2和圖4是美國AEM公司生產(chǎn)的高可靠固態(tài)熔斷器(FM12)的典型數(shù)據(jù)和特性曲線。可以看出,AEM生產(chǎn)的這種熔斷器,不僅規(guī)定了最大斷開時(shí)間(ClearingTime)，而且給出了最小斷開時(shí)間。其它廠家的熔斷器幾乎都不提供這一數(shù)據(jù),而在設(shè)計(jì)某些要求嚴(yán)格的電路時(shí)需要這些數(shù)據(jù)。  



圖3高可靠厚膜固態(tài)熔斷器的結(jié)構(gòu)（美國AEM公司）





圖4高可靠固態(tài)熔斷器（FM12型）特性曲線（美國AEM公司）

3.4 有機(jī)高分子聚合物自恢復(fù)型保險(xiǎn)絲

這類保險(xiǎn)絲是近年由美國Raychem公司最先開發(fā)的新型過電流保護(hù)元件,它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)正溫度系數(shù)熱敏電阻器。它是在有機(jī)高分子聚合物中加入導(dǎo)電顆粒而構(gòu)成的，其特點(diǎn)是具有自恢復(fù)性,即過電流之后又恢復(fù)到常態(tài),不必更換,也不必一定將它安置在電子產(chǎn)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(tài)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(chǎn)品的電能消耗。在某些電路中,由于其電阻大而產(chǎn)生熱噪聲。與金屬型熔斷器比較,其響應(yīng)速度慢，存在老化現(xiàn)象。在個(gè)別電路中,當(dāng)發(fā)生過電流時(shí),它起保護(hù)作用,使電路回到正常狀態(tài)。但若引發(fā)過電流的故障原因未被及時(shí)排除,則會(huì)出現(xiàn)過電流狀態(tài)——正常狀態(tài)——過電流狀態(tài)的反復(fù)循環(huán),從而給電路帶來麻煩，需要與其它保護(hù)元件組合使用。雖然這種過電流保護(hù)元件還有一些不足之處,但它的自恢復(fù)性優(yōu)點(diǎn)是很吸引人的,各生產(chǎn)廠家都在研究改進(jìn),主要方向是提高耐電壓/電流、降低電阻、提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性,并日益取得進(jìn)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(biāo)器、主機(jī)板、顯示器、電源適配器等。TycoElectronics公司生產(chǎn)TSL250?080型產(chǎn)品,它可以承受2/10μs,800V,100A的放電,專用于建筑物內(nèi)部的電信系統(tǒng),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(yīng)用的過電流保護(hù)和溫控元件。一般說來,作為電路保護(hù)元件,大多采用PTCR;而作為溫度控制、溫度補(bǔ)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(yōu)點(diǎn),發(fā)展很快。  

3．5．1 片式陶瓷PTCR

隨著SMT的發(fā)展,片式陶瓷PTCR的需求快速增加。一般的溫度動(dòng)態(tài)范圍在85℃～150℃,精度達(dá)±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(dāng)于多個(gè)很薄的PTCR的并聯(lián),因而不僅能明顯地減少其阻值,而且提高了其熱響應(yīng)速度。將它以適當(dāng)方式貼在半導(dǎo)體功率管和IC芯片上,就可以有效地保護(hù)這些關(guān)鍵器件。若在LCD控制電路中加入PTCR,則可以在寬溫度范圍內(nèi)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(nèi)尚處于開發(fā)初期，但人們一致認(rèn)為其發(fā)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(luò)公司）  

3．5．2 片式陶瓷NTCR

它的阻值隨著溫度的升高呈現(xiàn)指數(shù)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(jié)構(gòu)簡單,使用方便，獲得廣泛應(yīng)用。特別是近年來,移動(dòng)通信飛速發(fā)展,需用大量的溫補(bǔ)晶體振蕩器,這就為NTCR提供了巨大市場。從結(jié)構(gòu)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(shí)電阻率也高。所以，單層型NTCR難以同時(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)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(shí),B值仍能保持在3500以上。深圳順絡(luò)公司的STH1608型,電阻為100Ω時(shí),B值為3150,為國內(nèi)一流水平。  

4 過電壓保護(hù)元件  

在電子設(shè)備中，經(jīng)常出現(xiàn)瞬間尖峰電壓和浪涌電壓,兩者有所不同，前者持續(xù)時(shí)間短,但電壓峰值范圍大,從mV級到kV級;后者持續(xù)時(shí)間長,可達(dá)ms乃至s級,但其幅度可為正常值的數(shù)倍，可以統(tǒng)稱為過電壓狀態(tài)，它們都會(huì)給電路帶來麻煩。特別是近年來向高速數(shù)字化發(fā)展,半導(dǎo)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(xiàn)了多種過電壓保護(hù)元件,如TVS二極管、陶瓷壓敏電阻器、瞬態(tài)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(hù)元件己有多年歷史,得到廣泛應(yīng)用。但由于其壓敏電壓與兩個(gè)電極間的距離成比例,通流量與電極面積成比例,所以傳統(tǒng)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(xiàn)代電子產(chǎn)品電路的過電壓保護(hù)要求;近年來人們使用更精細(xì)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(shù)難關(guān)。同時(shí)，具備壓敏電壓低(可低到2V左右)、響應(yīng)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(yōu)點(diǎn).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(hù)，發(fā)展前景十分廣闊。雖然剛剛開發(fā),卻受到普遍重視,例如，電容僅有10pF的0402規(guī)格的疊層型片式壓敏電阻器可很好地應(yīng)用在移動(dòng)通信和筆記本電腦中。日本Murata公司在網(wǎng)上推出VCM18R系列,TDK公司近日也推出AVR－M系列。我國深圳順絡(luò)電子公司開發(fā)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(chǎn)品是最被看好的一種過電壓保護(hù)元件,預(yù)計(jì)其年增長率將超過30％。  

4.2 多功能組合件  

如上所述,瞬態(tài)電壓的變化范圍很寬,情況復(fù)雜,加之可能同時(shí)伴隨浪涌電流及熱效應(yīng)的影響,因而有時(shí)僅靠一個(gè)電路保護(hù)元件是不夠的，需要將幾個(gè)保護(hù)元件組合在一起，例如壓敏電阻/陶瓷電容器組合。據(jù)報(bào)道,AVX公司最近推出TransFeed系列疊層陶瓷瞬態(tài)電壓抑制器,兼?zhèn)鋲好綦娮杵饕种七^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(xiàn)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(gè)領(lǐng)域正呈現(xiàn)出一派生機(jī)勃勃的景象。  

4.3 內(nèi)置ESD保護(hù)IC  

半導(dǎo)體工藝越來越精細(xì),IC的功能越來越強(qiáng)大,而且工作電壓越來越低。這就導(dǎo)致IC的抗ESD能力明顯降低，需要增加保護(hù)元件。這樣,既麻煩又增加元器的數(shù)目。為此,一些IC廠家將ESD保護(hù)功能置于芯片內(nèi)部,制造出自身能防護(hù)ESD的IC，如MAXIM公司開發(fā)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(nèi)產(chǎn)業(yè)的狀況  

國內(nèi)企業(yè)仍以傳統(tǒng)的玻璃管金屬絲型熔斷器為主要產(chǎn)品。我國臺(tái)灣和香港特區(qū)的多家企業(yè)到大陸建廠,也是以玻璃管金屬絲型為主。在國內(nèi),有些廠家已開始生產(chǎn)可恢復(fù)聚合物保險(xiǎn)絲、疊層型片式熱敏電阻器和壓敏電阻器。由于技術(shù)難度較高，宇航級高可靠固態(tài)熔斷器和高能量密度SMD熔斷器仍處于空白狀態(tài)。

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