揭秘SMD保险丝：尺寸虽然小，功能不打折，它们是如何做到的？
品慧电子讯热保险丝是最古老的电路保护装置，目前仍在广泛使用。人们已熟知这种产品，它可靠、一致、符合监管标准。然而，随着最终产品的复杂性增加、尺寸缩小，设计人员需要为用户可更换的保险丝和保险丝座找到一种替代产品，以减少外形尺寸，简化装配，提高坚固性并进一步增加安全性。
而且，设计人员可以在不影响性能的情况下使用表面贴装器件 (SMD)。SMD保险丝采用了多种技术，实现了热熔断以及各种必要的保险丝特性，如快熔和慢熔。
本文将简要介绍熔断、电路保护和设计注意事项。然后将详细介绍Bourns的SMD保险丝及其主要特性及应用方式。
经久耐用的基本型保险丝
传统的保险丝及其热激活熔融连接约有150年的历史，是最著名、最直接的一种电路保护装置。这种保险丝性能可靠、简单易懂，在提供单一的过流保护功能方面具有一致性。当电流水平超过保险丝设计确定的值时，会将电路永久性地彻底断开，从而中断电流。
根据图形标准不同，传统保险丝会用不同的符号表示。这种保险丝内含一根金属线，在设计、尺寸和材料方面都进行了精确的工程设计（图1）。当通过这个易熔连接的电流超过预先设定的限制时间足够长时，这个连接就会因为自热而熔化。这种自热现象是由于电流流过该连接的电阻而产生的阻性I2R功率损耗直接造成的。
图1：根据所采用的标准不同，可用以下原理符号中的一种来表示保险丝。（图片来源：ClipArtKey.com）
保险丝有多种封装类型，如著名的3AG小型玻璃管保险丝，直径为?英寸，长1?英寸。对于每个保险丝和额定电流，供应商提供了详细的图表，说明了过流值与保险丝元件因熔化而阻止电流流经保险丝所需的累计时间之间的关系。该值被称为额定I2t，表示电流流动产生的热能，单位为安培2秒 (A2s)。
保险丝并不是设计人员唯一使用的电路保护器件。还有其他一些无源器件，通过限制、阻断、分流或"撬动"过大的电流或电压浪涌来实现其他形式的保护。但是，这些都不会像保险丝那样明确、永久性地切断电流。这类器件不能取代保险丝功能，但在保险丝不合适用于保护或者在技术上有意义的情况下作为保险丝的补充器件时，可以使用这类器件。这类电路保护器件大家众所周知，具体包括：
● 金属氧化物压敏电阻 (MOV)
● 正温度系数 (PTC) 热敏电阻
● 瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管
● 气体放电管 (GDT)
● 聚合物PTC自恢复保险丝
和保险丝一样，以上每种保护器件都能提供电路保护，并且因保险丝具有一致性、直接动作和不可逆等特点，所以保留了基本的断路、熔融连接的作用和功能。
超越可更换型熔融连接
当与合适的保险丝座或插座配合使用时，热保险丝通常被认为是可现场更换的器件。也就是说，往往没有必要让用户现场更换，而且对于很多产品来说可能是不可取的。这种情况适合低功率产品（如手机、机顶盒、小型电池充电器、AC/DC墙插适配器和玩具）；中等功率设备（包括电动工具、工业控制器和消费类发电机），甚至高功率系统（如电动汽车 (EV) 充电器）。
考虑一下这些情况：
● 我们可能需要额定值不同的保险丝来保护大电路中不同的子电路，而不是整个产品，其中包括那些含有敏感信号路径的电路。
● 被熔断的装置可能是一个小型密封产品， 在这种情况下，采用保险丝主要是为了保护电池及其充电电路，且最终用户无法进入内部。
● 从安全角度来讲，除非知道保险丝熔断的实际原因，比如机械人员无意中触动了电源轨，将其与汽车底盘连接，否则仅仅是因为容易更换而进行更换带来的后果轻则浪费时间，重则产生风险。例如，如果保险丝是锂基电池及其充电电路的保护电路的一部分，那么保险丝就是该功能的关键器件。因此，一定要找到保险丝"熔融"的根本原因，而不是盲目地更换保险丝。
● 由于腐蚀、振动和其他工作环境因素，保险丝座及其触头会出现可靠性问题。
● 最后是尺寸问题：通过焊接而非底座固定的保险丝在PC板上的占地面积会更小，外形更扁平。
为了实现像SMD器件一样的小型无底座保险丝，从而能使用标准电路板装配和焊接设备，就必须摆脱传统保险丝的线形熔融连接部分的束缚，但是仍然保留能使其熔化并断开电流路径的自发热原理。
多样化SMD保险丝应对现代设计挑战
通过整合材料、技术、配方和制造技术，Bourns开发出一系列SMD保险丝，可在较宽的电流和工作电压范围内提供热保险丝功能。Bourns的SinglFuse SMD保险丝产品组合采用了七种不同的保险丝结构技术：薄膜溅射、薄膜PC板、陶瓷多层板、陶瓷腔体层压板、线芯、陶瓷管和陶瓷立方体（图2）。
图2：SinglFuse系列仅由SMD保险丝组成，但要实现其提供的多种电流和电压组合，需要使用七种不同的保险丝技术。（图片源：Bourns）
由于采用了多种技术和结构方法，SinglFuse广泛的产品系列包含了具有各种关键参数的保险丝，具体如额定电流、额定电压、分断能力、I2t和工作温度等。此外，SinglFuse产品符合UL、TUV和VDE标准，符合UL 248和IEC 60127标准，从而简化了产品整体认证途径。对于需要在宽温度范围内实现全规格和可靠运行的汽车应用（众多汽车的强制要求之一）或其他恶劣的工作环境，可提供符合AEC-Q200标准的保险丝。
SMD器件：尺寸虽小，但丝毫不影响功能
在某些情况下，对小型元件的需求，特别是在SMD封装中其特性或能力会受限。而SinglFuse器件则不会出现此类情况，其封装尺寸从具有较低电流范围且小到几乎看不见的0402规格（0.040in. × 0.020in.，1.0mm × 0.5mm），到具有较高容量的3812规格（0.150in. × 0.100in.，3.81mm × 2.54mm），后者的尺寸仍然很小。
多年来，保险丝供应商开发出了具有独特属性的可熔融连接器件的特种版本，以满足电路需求。鉴于此，SinglFuse器件具有不同的响应特性，具体包括：
● 快断
● 快断精度：关键规范的公差更严格
● 慢熔：处理超过保险丝额定电流的暂时浪涌电流
● 延时：允许电浪涌在实际熔融前的短时间内发生
● 高浪涌电流：用于过大启动电流
请注意，这些“个性”不同的保险丝的电流与时间曲线的具体规范在各自的规格书中都有相应的规定，设计人员应加以研究，以获得与应用最匹配的保险丝。
额定电流的极值：界定性能范围
设计人员可以在广泛的标称电流值范围内使用SMD保险丝。例如，SF-2410FP0062T-2快动精密SMD保险丝采用EIA 2410（6125公制）规格陶瓷管，长约6毫米，矩形端尺寸为2.1mm × 2.6 mm（图3）。
图3：Bourns SF-2410FP0062T-2是一款采用矩形封装的快动精密SMD保险丝。（图片源：Bourns）
这款保险丝工作电压为125V AC/DC，额定电流62毫安 (mA)，典型额定I2t为0.0012 A2s。虽然顶层总结规范规定了保险丝应在电流达到额定电流的200%时在5秒内断开，但用户很可能想研究它的性能图，这种性能图量化了时间电流特性（图4）和I2t额定值（图5），这是保险丝响应时间的关键指标。当保险丝在其额定电流范围内工作时，由于其电阻约为6欧姆 (Ω)，因此设计人员应注意通过保险丝的IR压降；该电压降低于最大值40毫伏 (mV)。
图4：SF-2410FP0062T-2的规格书包括保险丝从极低电流到标称最大值的电流时间特性的详细信息，该参数定义了保险丝的电流响应曲线。（图片源：Bourns）
图5：SF-2410FP0062T-2的规格书还给出了不同电流水平下累积热能的临界I2t曲线。（图片源：Bourns）
SF-1206S700慢熔保险丝（图6）具有非常不同的范围和性能曲线。这种保险丝是一种7A器件，当电流达到器最大额定电流的250%时在5秒内断开。
图6：Bourns SF-1206S系列的SF-1206S700慢熔表面贴装保险丝器件采用了7A器件，当电流达到最大额定电流的250%时在5秒内断开（图片来源：Bourns）
SF-1206S700具有与SF-2410FP-T不同的封装和技术，鉴于其薄膜结构，所以采用了3216 (EIA 1206, 1.55 × 3.1mm) 扁平封装，高度仅为0.6mm（图7）。该器件的电阻只有7毫欧 (mΩ)，确保了在最大电流下具有小于50mV的低IR降。
图7：SF-1206S700慢熔SMD保险丝的剖面图说明了其复杂的制造材料和技术。（图片源：Bourns）
虽然该保险丝的规格书中有与SF-2410FP-T 62mA保险丝类似的图形，但作为慢熔保险丝，它还需要一条“I2T降额曲线与中继器浪涌电流”曲线，以便进一步定义慢熔保险丝在反复全开关电路工作时的性能（图8）。
图8：慢熔保险丝经常会受到反复高浪涌电流周期的影响，因此SF-1206S700规格书阐明了这些周期对保险丝特性的影响。（图片源：Bourns）
对于设计人员来说，动手评估不同保险丝的类型、额定值和尺寸是非常有用的，但这样做需要面对一个挑战。与有源元件（如运放）或无源元件（电阻、指示灯、电容）不同，保险丝是一次性器件，只有通过推动保险丝有效自毁，才能进行全面测试。因此，手头有多种不同保险丝的参数值和类型对于评估很有用。
为了简化该过程，Bourns推出SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab套件，帮助设计人员快速完成原型测试（图9）。该套件包含0402、0603和1206规格保险丝（公制1608 - 3216）中的18种慢熔保险丝各5种（共90个）；类似的SF-FP-LAB1套件包含采用0402 - 1206（公制1005 - 3216）封装的160快熔精密保险丝（32值，每个值各5个）。
图9：由于测试经常会需要保险丝自毁，因此，像SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab这样的慢熔保险丝设计套件可以减轻设计人员在尺寸、安装、热问题、性能等问题评估方面的工作。（图片源：Bourns）
本文小结
尽管概念简单，但热保险丝基于先进的热、材料和制造方面的考虑因素，是一种复杂的无源电气和机械元件。随着电路和产品的不断缩小，使得用户更换保险丝越来越不切实际、不明智，甚至是危险的，因此显而易见的是市场需要表面贴装器件 (SMD) 保险丝，而且这种保险丝和其他SMD器件具有同样的处理方式。此外，SMD保险丝简化了装配和制造工艺，降低了设计对振动和腐蚀的敏感性。
如图所示，Bourns SinglFuse系列SMD保险丝为设计人员提供了广泛的过流保护范围和类型，以满足当今产品和PCB制造工艺的需求。
本文参考文献：
IEEE 2007 年第 8 届国际电力保险丝及其应用会议，《保险丝的起源》
来源：得捷电子DigiKey，作者：Bill Schweber
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