作者： AEM Components技術(shù)銷售經(jīng)理 MIKE ROACH

電子產(chǎn)品的汽車應(yīng)用要經(jīng)受最惡劣的環(huán)境——廣泛的溫度變化、沖擊和振動(dòng)，以及暴露于潮濕、水和鹽中。傳統(tǒng)上，刀片式汽車保險(xiǎn)絲位于儀表板下方的保險(xiǎn)絲盒中，可提供必要的故障保護(hù)。但隨著汽車變得“智能”和“互聯(lián)”，越來(lái)越多的嵌入式和分布式電子設(shè)備需要安裝在 PC 板上的電路保護(hù)。隨著電動(dòng) (EV) 和混合動(dòng)力電動(dòng) (HEV) 車輛的迅速出現(xiàn)——大多數(shù)都配備高能鋰電池系統(tǒng)——對(duì)可靠的電路保護(hù)裝置的需求至關(guān)重要，以防止發(fā)生災(zāi)難性故障。這些應(yīng)用都將重點(diǎn)放在改進(jìn)表面貼裝熔斷器技術(shù)上。

本文介紹了一次性表面貼裝保險(xiǎn)絲的常見(jiàn)類型，并比較了每種類型的替代保險(xiǎn)絲結(jié)構(gòu)。它展示了模擬真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景的比較測(cè)試結(jié)果，以展示最新一代表面貼裝保險(xiǎn)絲提供的顯著更好的性能。

對(duì)表面貼裝保險(xiǎn)絲的需求從歷史上看，通常是行業(yè)對(duì)技術(shù)進(jìn)步的需求最終推動(dòng)了廣泛應(yīng)用的采用。例如，首先由電視行業(yè)開(kāi)發(fā)的更亮、更高效、更輕的顯示器現(xiàn)在已成為消費(fèi)、商業(yè)、工業(yè)、軍事和航空航天應(yīng)用中不可或缺的一部分。同樣，汽車行業(yè)的需求似乎正在推動(dòng)電路保護(hù)技術(shù)的進(jìn)步。

可復(fù)位器件是過(guò)流條件是暫時(shí)故障條件結(jié)果的理想選擇。但在許多應(yīng)用中，特別是在故障電流可能導(dǎo)致其他電路或系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞的應(yīng)用中，古老的保險(xiǎn)絲仍然是保護(hù)的最佳選擇。雖然傳統(tǒng)的夾裝式玻璃管保險(xiǎn)絲在許多應(yīng)用中都有發(fā)現(xiàn)，刀片式保險(xiǎn)絲在汽車應(yīng)用中無(wú)處不在，但向更小、分布式和嵌入式電子功能的發(fā)展提高了對(duì)高性能、節(jié)省空間的需求表面貼裝保險(xiǎn)絲。與片式電感器和多層陶瓷電容器 (MLCC) 類似，表面貼裝保險(xiǎn)絲采用各種 EIA 標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行封裝，具體尺寸取決于技術(shù)用途和額定值。

雖然存在其他保險(xiǎn)絲，但本文重點(diǎn)介紹常見(jiàn)的表面貼裝保險(xiǎn)絲類型：固體或芯片保險(xiǎn)絲和空氣中線保險(xiǎn)絲。

實(shí)體（芯片）保險(xiǎn)絲實(shí)體或芯片保險(xiǎn)絲用于非常廣泛的空間受限應(yīng)用，包括便攜式電子設(shè)備、娛樂(lè)系統(tǒng)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等。額定電流的范圍通常從低至 125 mA 到幾安培。設(shè)備提供慢速和快速兩種配置。

固體保險(xiǎn)絲最常見(jiàn)的兩種結(jié)構(gòu)是多層陶瓷型和印刷電路型。陶瓷保險(xiǎn)絲具有共燒單片結(jié)構(gòu)，其中嵌入了多達(dá)四層可熔材料。在印刷電路結(jié)構(gòu)中，器件主要由環(huán)氧樹(shù)脂基板和玻璃纖維（FR4）結(jié)構(gòu)組成。熔斷器元件粘合在印刷電路板的表面并涂有保護(hù)性聚合物。

雖然印刷電路樣式是最常見(jiàn)的，但陶瓷類型具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。由于其單片結(jié)構(gòu)，它能夠在更小的封裝中提供更高的額定電流，具有更寬的工作溫度，并在極端條件下具有穩(wěn)定的工作特性。此外，該結(jié)構(gòu)不易受到機(jī)械損壞。

陶瓷熔斷器技術(shù)的一個(gè)新進(jìn)步是 SolidMatrix 陶瓷熔斷器。這種實(shí)心陶瓷保險(xiǎn)絲的專利多層結(jié)構(gòu)可在寬溫度范圍（–55°C 至 150°C）內(nèi)提供出色的機(jī)械和熱穩(wěn)定性。

圖 1 顯示了 SolidMatrix 陶瓷保險(xiǎn)絲和傳統(tǒng)印刷電路型保險(xiǎn)絲在過(guò)流故障條件下的表現(xiàn)。右側(cè)傳統(tǒng)印刷電路板型保險(xiǎn)絲的保險(xiǎn)絲元件按預(yù)期打開(kāi)，但高過(guò)電流故障條件導(dǎo)致表面熔化、開(kāi)裂和機(jī)械完整性受損。結(jié)果，電弧和表面損傷在右圖中非常明顯。

如圖 1左側(cè)的圖像所示，SolidMatrix 陶瓷保險(xiǎn)絲的表現(xiàn)要好得多。該設(shè)備的專有結(jié)構(gòu)允許將金屬熔斷元件融合到陶瓷中；此外，它們的中心位置確保能量包含在體內(nèi)。因此，機(jī)械完整性得以保持，并且設(shè)備的外觀沒(méi)有外部變化。

圖 1：SolidMatrix 陶瓷保險(xiǎn)絲的單片結(jié)構(gòu)（左）吸收故障電流并且沒(méi)有顯示外部損壞——與傳統(tǒng)印刷電路型芯片保險(xiǎn)絲的可見(jiàn)損壞（右）相比。

空氣中線式熔斷器空氣中線式熔斷器通常用于需要快速動(dòng)作和卓越電弧抑制的高工作電流應(yīng)用中。應(yīng)用包括電池充電器、電池組和承受極高故障電流和更高電壓的電路。這種類型的保險(xiǎn)絲的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)是將易熔線元件安裝在陶瓷管內(nèi)，并通過(guò)焊珠連接到端蓋。

傳統(tǒng)的空氣中線保險(xiǎn)絲有幾個(gè)缺點(diǎn)。端蓋脫落是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的失效模式。由于陶瓷管內(nèi)的線元件放置的可變性，性能也缺乏一致性。此外，在最壞的情況下，高電流應(yīng)力條件下，陶瓷管中的焊料會(huì)蒸發(fā)并產(chǎn)生壓力，直至保險(xiǎn)絲爆炸。如果發(fā)生這種情況，焊料會(huì)重新沉積在跡線上，這可能會(huì)導(dǎo)致二次導(dǎo)電路徑，從而產(chǎn)生潛在的嚴(yán)重后果。

相比之下，先進(jìn)的 AirMatrix 空氣中線保險(xiǎn)絲的保險(xiǎn)絲元件使用專有的密封空氣中線結(jié)構(gòu)，可確保一致的電氣性能。AirMatrix 的熔斷器元件均勻地穿過(guò)空腔并從外部粘合到端蓋上。與傳統(tǒng)的方形納米型保險(xiǎn)絲不同，采用陶瓷主體和焊接連接設(shè)計(jì)，AirMatrix 保險(xiǎn)絲采用玻璃纖維強(qiáng)化主體和無(wú)焊直接連接結(jié)構(gòu)。

圖 2 ?顯示了兩種傳統(tǒng)的 EV 短路條件下的空氣中線保險(xiǎn)絲。250 V/250 A 的樣品 A（左圖）和 450 V/450 A 的樣品 B 顯示出對(duì)保險(xiǎn)絲的嚴(yán)重?fù)p壞以及對(duì)周圍電路的附帶損壞。在波形中，流經(jīng)保險(xiǎn)絲的電流（黃色跡線）分別顯示最終導(dǎo)致印刷電路板損壞的次級(jí)電流。

圖 2：兩個(gè)傳統(tǒng)的空氣中線保險(xiǎn)絲在極端過(guò)載條件下造成的損壞——模擬災(zāi)難性的 EV 電池短路。

當(dāng)遭受與方形納米管保險(xiǎn)絲相同的 EV 電池短路時(shí)，AirMatrix 保險(xiǎn)絲的先進(jìn)結(jié)構(gòu)能夠承受 450-V/450 A 的條件，而不會(huì)受到任何外部損壞（見(jiàn)圖?3）。請(qǐng)注意在波形中，通過(guò) AirMatrix 保險(xiǎn)絲的電流（黃色跡線）如何下降到零。電壓（綠色跡線）顯示 AirMatrix 保險(xiǎn)絲開(kāi)路，沒(méi)有二次導(dǎo)通。

圖 3：AirMatrix 保險(xiǎn)絲在承受極端過(guò)載條件后未受到損壞——模擬災(zāi)難性的 EV 電池短路。

滿足汽車標(biāo)準(zhǔn)汽車應(yīng)用工程師需要使其設(shè)備符合 AEC-Q200 汽車標(biāo)準(zhǔn)。正如可靠性測(cè)試所證明的那樣，SolidMatrix 多層陶瓷芯片保險(xiǎn)絲和 AirMatrix 空氣中線保險(xiǎn)絲采用的新結(jié)構(gòu)與典型的保險(xiǎn)絲方法相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。這些保險(xiǎn)絲在經(jīng)過(guò) TS16949 認(rèn)證的設(shè)施中制造，專為在高應(yīng)力汽車應(yīng)用中可靠運(yùn)行而設(shè)計(jì)。

審核編輯 黃昊宇