电路保护元件的发展与应用

作者：张力1，马存云2

（1.清华同方股份有限公司，北京100084）（2.临沂师范学院物理与电子科学系，山东临沂276004）

1引言

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/Buss?mann、GCL、Wickmann?Werke、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。

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”自然越来越高贵,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。

（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,就必须大量采用电路保护元件。

3过电流保护元件

图1金属薄膜表面贴装型熔断器的结构和尺寸（Littelfuse公司）

图2金属薄膜表面贴装型熔断器的特性曲线（Littelfuse公司）

图3高可靠厚膜固态熔断器的结构（美国AEM公司）

图4高可靠固态熔断器（FM12型）特性曲线（美国AEM公司）

图5叠层型陶瓷压敏电阻器特性曲线（深圳顺络公司）

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最多的产品，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公司最近在网上发表了叠层多元独石SMD熔断器（USPatent6,034,589:MultilayerandMulti?elementMonolithicSurfaceFuse）,它是用该公司的UV专利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最大的SMD熔断器，其封装系列有0402/0603/0805/1206等。又如Littelfuse公司最近推出一种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、额定电流精确。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Accu?Guard系列SMD熔断器，封装尺寸为0402/0603/0805/1206,从0.25A/32V至3A/63V。BUSS?MANN、WICKMANN、Schurter等公司也有同类产品供用户选择,这类熔断器可用于高档电脑、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。

3.3高可靠厚膜固态熔断器

这是美国AEM公司的专利产品,有多种规格,从低压到高压,目前最高电压可达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优异记录。AEM公司是世界上唯一被美国航天总署NASA认证的FM12型高可靠熔断器生产厂家,也被列入美国国防部QPL表。这种高可靠固态熔断器主要用于航天和军事装置。休斯公司、马丁公司、TRW等欧、美、日著名宇航公司均采用这种产品。

这种固态熔断器分引线式和片式两种类型。它是在陶瓷基体上用厚膜工艺制备设定形状的特殊合金导电带,这种合金导电带的电阻具有正温度系数。用特殊的树脂包封，图3是其结构示意图。这种FM12型高可靠固态熔断器具有以下特点:其熔断特性与周围环境的真空度无关(FM08型高可靠陶瓷管－金属丝熔断器与周围真空度有密切关系);由于是固态结构,可承受强烈的振动,达30g/3kHz(FM08型为10g/2kHz),耐冲击达1.5kg(FM08为100g);在过电流熔断时,由于特殊树脂的严密包封,不会发生爆炸现象,也不会出现电弧、气体、微颗粒等污染;结构紧凑，体积小。表1是陶瓷管-金属丝型熔断器(FM08A)的特性数据。表2和图4是美国AEM公司生产的高可靠固态熔断器(FM12)的典型数据和特性曲线。可以看出,AEM生产的这种熔断器,不仅规定了最大断开时间(ClearingTime)，而且给出了最小断开时间。其它厂家的熔断器几乎都不提供这一数据,而在设计某些要求严格的电路时需要这些数据。

3.4有机高分子聚合物自恢复型保险丝

这类保险丝是近年由美国Raychem公司最先开发的新型过电流保护元件,它实质上是一个正温度系数热敏电阻器。它是在有机高分子聚合物中加入导电颗粒而构成的，其特点是具有自恢复性,即过电流之后又恢复到常态,不必更换,也不必一定将它安置在电子产品中手可触及的部位，因而给用户带来许多便利,很受欢迎。不足之处是阻抗较高。一般说来,在电路正常状态下,其阻抗比相同的金属型熔断器较高,这样,就增加了电子产品的电能消耗。在某些电路中,由于其电阻大而产生热噪声。与金属型熔断器比较,其响应速度慢，存在老化现象。在个别电路中,当发生过电流时,它起保护作用,使电路回到正常状态。但若引发过电流的故障原因未被及时排除,则会出现过电流状态——正常状态——过电流状态的反复循环,从而给电路带来麻烦，需要与其它保护元件组合使用。虽然这种过电流保护元件还有一些不足之处,但它的自恢复性优点是很吸引人的,各生产厂家都在研究改进,主要方向是提高耐电压/电流、降低电阻、提高强度和稳定性,并日益取得进展。如Raychem公司最新的miniSMDM75/24型,24V,40A及miniSMDM260型,8V,40A。尺寸为4.5mm×3.2mm，适用于键盘、鼠标器、主机板、显示器、电源适配器等。TycoElectronics公司生产TSL250?080型产品,它可以承受2/10μs,800V,100A的放电,专用于建筑物内部的电信系统,以防止120V或250V交流电故障。

3．5PTCR和NTCR

PTCR和NTCR是己被广泛应用的过电流保护和温控元件。一般说来,作为电路保护元件,大多采用PTCR;而作为温度控制、温度补偿元件,大多采用NTCR。近年来,除引线型分立元件外,片式PTCR/NTCR具有显著的优点,发展很快。

3．5．1片式陶瓷PTCR

随着SMT的发展,片式陶瓷PTCR的需求快速增加。一般的温度动态范围在85℃～150℃,精度达±5℃。但由于BaTiO3的固有特性,致使单层型片式PTCR的阻值较高,不能满足某些电路的要求;叠层型片式PTCR相当于多个很薄的PTCR的并联,因而不仅能明显地减少其阻值,而且提高了其热响应速度。将它以适当方式贴在半导体功率管和IC芯片上,就可以有效地保护这些关键器件。若在LCD控制电路中加入PTCR,则可以在宽温度范围内保持良好的显示效果。然而，这种叠层型片式PTCR的制造工艺难度大,目前国内尚处于开发初期，但人们一致认为其发展前景十分广阔。

3．5．2片式陶瓷NTCR

它的阻值随着温度的升高呈现指数形式下降,阻值随温度的变化率一般为百分之几，因而其测温精度很高,而且结构简单,使用方便，获得广泛应用。特别是近年来,移动通信飞速发展,需用大量的温补晶体振荡器,这就为NTCR提供了巨大市场。从结构上讲,片式NTCR除了玻璃管封装形式外，还有单层型和多层型之分。一般热敏陶瓷材料的电阻率决定于该材料的热激活能,因而B值高时电阻率也高。所以，单层型NTCR难以同时保持高B值、低电阻的特性,如果将电阻降至300Ω,B值就可降到3000。反之,叠层型片式NTCR却可以同时实现低电阻和高B值,如SIEMENS公司的C1621型叠层片式NTCR,电阻降到几十欧姆时,B值仍能保持在3500以上。深圳顺络公司的STH1608型,电阻为100Ω时,B值为3150,为国内一流水平。

4过电压保护元件

在电子设备中，经常出现瞬间尖峰电压和浪涌电压,两者有所不同，前者持续时间短,但电压峰值范围大,从mV级到kV级;后者持续时间长,可达ms乃至s级,但其幅度可为正常值的数倍，可以统称为过电压状态，它们都会给电路带来麻烦。特别是近年来向高速数字化发展,半导体器件和IC的工作电压越来越低,大大增加了遭受过电压和静电放电(ESD)危害的几率。面对这样的状况,出现了多种过电压保护元件,如TVS二极管、陶瓷压敏电阻器、瞬态电压抑制器（Surgector）、ESD抑制器等。

4.1叠层型片式陶瓷压敏电阻器（MultilayerChipVaristor）

陶瓷压敏电阻器作为过压保护元件己有多年历史,得到广泛应用。但由于其压敏电压与两个电极间的距离成比例,通流量与电极面积成比例,所以传统的引线型陶瓷压敏电阻器在体积上和性能上都满足不了现代电子产品电路的过电压保护要求;近年来人们使用更精细的MLCC工艺制造的叠层型片式陶瓷压敏电阻器克服了这些技术难关。同时，具备压敏电压低(可低到2V左右)、响应速度快(为ns级)、通流量大、温度特性好、体积小、适合SMT组装等诸多优点.特别适用于LCD、键盘、I/O接口、IC、ASIC、MOSFET、CMOS、传感器、霍尔元件、激光二极管、前置放大器、声频电路等电路中的过电压保护，发展前景十分广阔。虽然刚刚开发,却受到普遍重视,例如，电容仅有10pF的0402规格的叠层型片式压敏电阻器可很好地应用在移动通信和笔记本电脑中。日本Murata公司在网上推出VCM18R系列,TDK公司近日也推出AVR－M系列。我国深圳顺络电子公司开发了0402、0603、0805、12064种封装尺寸的叠层型片式陶瓷压敏电阻器,其工作电压范围为2.5V～23.1V,图5是其典型的电压敏特性曲线。这类新产品是最被看好的一种过电压保护元件,预计其年增长率将超过30％。

4.2多功能组合件

如上所述,瞬态电压的变化范围很宽,情况复杂,加之可能同时伴随浪涌电流及热效应的影响,因而有时仅靠一个电路保护元件是不够的，需要将几个保护元件组合在一起，例如压敏电阻/陶瓷电容器组合。据报道,AVX公司最近推出TransFeed系列叠层陶瓷瞬态电压抑制器,兼备压敏电阻器抑制过电压和穿心电容器滤除高频EMI的作用。片式压敏阵列、片式压敏/电容阵列也出现在市场上。EPCOS公司正在研究将压敏、热敏、浪涌抑制元件集成在一起的模块。这个领域正呈现出一派生机勃勃的景象。

4.3内置ESD保护IC

半导体工艺越来越精细,IC的功能越来越强大,而且工作电压越来越低。这就导致IC的抗ESD能力明显降低，需要增加保护元件。这样,既麻烦又增加元器的数目。为此,一些IC厂家将ESD保护功能置于芯片内部,制造出自身能防护ESD的IC，如MAXIM公司开发的RS-232接口IC、RS-485接口IC等,自身都具有防ESD的功能。

5国内产业的状况

国内企业仍以传统的玻璃管金属丝型熔断器为主要产品。我国台湾和香港特区的多家企业到大陆建厂,也是以玻璃管金属丝型为主。在国内,有些厂家已开始生产可恢复聚合物保险丝、叠层型片式热敏电阻器和压敏电阻器。由于技术难度较高，宇航级高可靠固态熔断器和高能量密度SMD熔断器仍处于空白状态。