Brug SMD-sikringer til at lette layout, reducere produktstørrelse og forbedre robusthed

Den termisk aktiverede sikring er den ældste anordning til kredsløbsbeskyttelses og er stadig udbredt i anvendelse. Det er godt forstået, pålideligt, konsekvent og godkendt af lovgivningsmæssige standarder. Men med slutprodukter, der øges i kompleksitet og krymper i størrelse, har designere brug for et alternativ til den brugerudskiftelige sikring og sikringsholder for at reducere formfaktoren, forenkle samlingen, forbedre robustheden og yderligere øge sikkerheden.

I stedet kan designere bruge overflademonteringsenheder (SMD'er) uden et kompromis med ydeevnen. SMD-sikringer anvender forskellige teknologier til at tilvejebringe termisk baseret sikring sammen med hele spektret af nødvendige sikringsegenskaber, såsom hurtigvirkende og træg.

Denne artikel vil give en hurtig tilgang til sikring, kredsløbsbeskyttelse og designovervejelser. Derefter introduceres og beskrives SMD-sikringer fra Bourns, herunder deres primære egenskaber, og hvordan de anvendes.

Den grundlæggende sikring

Den traditionelle sikring med sit termisk aktiverede smelte link er omkring 150 år gammel og er den mest kendte, mest direkte type kredsløbsbeskyttelsesanordning. Det er pålideligt og enkelt at forstå med ensartet ydeevne i sin eneste funktion, der giver beskyttelse mod forekomst af overstrøm. Det gør det ved entydigt og uigenkaldeligt at åbne kredsløbsstien og afbryde strømmen, når strømniveauet overstiger den mængde, der er bestemt af sikringens design.

En traditionel sikring er repræsenteret af forskellige skematiske symboler afhængigt af den grafiske standard og består af en metaltråd, der er nøjagtigt konstrueret i design, dimensioner og materialer (figur 1). Når strømmen, der passerer gennem dette smeltbare led, overstiger en forudindstillet grænse i tilstrækkelig tid, smelter linket, når det opvarmer. Denne selvopvarmning er en direkte konsekvens af ohmsk I²R-effekttab på grund af strøm gennem linkets modstand.

Figur 1: Sikringen er repræsenteret af et af flere skematiske symboler, afhængigt af hvilken standard der er i brug. (Billedkilde: ClipArtKey.com)

Sikringer fås i mange pakketyper, såsom den velkendte 3AG lille glaspatron, der måler ¼ tommer i diameter og 1 ¼ tommer lang. For hver sikring og nuværende vurdering leverer leverandører detaljerede grafer, der viser forholdet mellem overstrømsværdi og den akkumulerede tid, der kræves for, at sikringselementet smelter, og dermed stopper strømmen gennem sikringen. Dette kaldes I²t-klassificering, der angiver tilgængelig termisk energi som følge af strømgennemstrømning og har enheder på ampere²-sekunder (A²s).

Sikringen er ikke den eneste kredsløbsbeskyttelsesanordning, der bruges af designere. Der er andre passive enheder, der giver andre former for beskyttelse ved at begrænse, blokere, shunt eller "crowbarring" for ekstrem over-strøm/spænding. Ingen af disse tilbyder uforsinket og irreversible strømafbrydelse. De erstatter ikke sikringens funktion, men de kan bruges, hvor en sikring ikke er den passende beskyttelsesmulighed, eller for at supplere sikringens handling, hvor det giver teknisk mening. Blandt de andre kendte kredsløbsbeskyttelsesanordninger er:

• Metaloxid varistor (MOV)
• PTC-termistor (Positive Temperature Coefficient)
• TVS-dioder (Transient voltage suppression)
• Gasudladningsrør (GDT)
• Polymer PTC-nulstillelig sikring

Ligesom sikringer har hver af disse en rolle i at yde kredsløbsbeskyttelse, men alligevel beholder det grundlæggende kredsløb, det smeltbare link sin rolle og funktion i mange designs på grund af dets kombination af egenskaber, herunder konsistens, direkte handling og irreversibilitet.

Ud over det udskiftelige smeltbare link

Termiske sikringer antages ofte at være udskiftelige enheder, når de parres med en passende sikringsholder eller stikkontakt. Når det er sagt, er det ofte unødvendigt at have udskiftning af brugeren og kan være uønsket for mange produkter. Dette gælder produkter med mindre strøm, såsom mobiltelefoner, set-top-bokse, små batteriopladere, AC/DC-vægadaptere og legetøj. mellemstore enheder inklusive elværktøj, industrielle controllere og forbrugergeneratorer; og endnu højere effekt-systemer såsom el-køretøjer (EV) opladere. Overvej disse scenarier:

• Sikringer med forskellige klassifikationer kan være nødvendige for at beskytte forskellige underkredse i et større kredsløb inklusive dem med følsomme signalstier snarere end hele produktet.
• Enheden, der smeltes, kan være et lille, forseglet produkt, såsom en smartphone, hvor sikringen primært er nødvendig for at beskytte batteriet og dets opladningskredsløb, og der er ingen mulighed for slutbrugeradgang til indersiden.
• Fra et sikkerhedsperspektiv, medmindre den egentlige årsag til den sprængte sikring er kendt, såsom en mekaniker, der utilsigtet har rørt ved en motorskinne og tilsluttet den til bilchassiet, er det spild af tid på at udskifte den bare fordi det er let at gøre og i værste fald risikabelt. For eksempel, hvis en sikring er en del af et beskyttelseskredsløb til et lithiumbaseret batteri og dets opladningskredsløb, er det et kritisk element i denne funktion. Derfor er det vigtigt at finde årsagen til, at sikringen springer frem for blot at udskifte den.
• En sikringsholder og dens kontakter øger problemer med pålidelighed på grund af korrosion, vibrationer og andre miljøfaktorer under drift.
• Endelig er der spørgsmålet om størrelse: En sikring, der loddes på plads uden en holder, vil have et mindre fodaftryk og en lavere profil på pc-kortet.

For at implementere små, holderfrie sikringer som SMD'er og dermed bruge population af standardkort og loddeudstyr, er det nødvendigt at se ud over den traditionelle sikring med sin trådlignende smeltbare forbindelse, mens man stadig bevarer det selvopvarmende princip, der smelter og dermed åbner den aktuelle sti.

Bredt udvalg af SMD-sikringer imødekommer udfordringerne ved moderne design

Ved at bruge kombinationer af materialer, teknologier, formuleringer og fremstillingsteknikker har Bourns udviklet en familie af SMD-sikringer, der kan give den termisk baserede sikringsfunktion over en bred vifte af strømme og driftsspændinger. Bourns SinglFuse SMD-sikringer produktporteføljen anvender syv forskellige sikringskonstruktions teknologier: Tyndfilmforstøvning, tyndfilm pc-kort, keramisk flerlag, keramisk hulrumslaminat, trådkerne, keramisk rør og keramisk terning (figur 2).

Figur 2: SinglFuse-familien er udelukkende sammensat af SMD-sikringer, men implementering af de mange strøm- og spændingskombinationer, den tilbyder, kræver brug af syv forskellige sikringsteknologier. (Billedkilde: Bourns)

Denne række teknologier og konstruktionsmetoder gør det muligt for den brede SinglFuse-portefølje at tilbyde sikringer med en bred vifte af specifikationer på tværs af nøgleparametre såsom nominel strøm, nominel spænding, brudkapacitet, I²t og driftstemperatur. Derudover er SinglFuse-produkterne UL, TUV og VDE-kompatible og i overensstemmelse med UL 248 og IEC 60127 standarder, hvilket letter vejen til den samlede produktcertificering. Til bilapplikationer, hvor der kræves fulde specifikationer og pålidelig drift over en bred temperatur, er der et af mange krav til biler eller til andre barske driftsmiljøer, sikringer, der er i overensstemmelse med AEC-Q200.

Lille SMD-størrelse begrænser ikke kapaciteter

Der er situationer, hvor det er afgørende for mindre komponenter, især i SMD-pakker at pålægger begrænsninger i deres funktioner eller kapaciteter. Dette er ikke tilfældet med SinglFuse-enhederne, der fås i pakkestørrelser fra et næsten usynligt 0402 (0,040 tommer × 0,020 tommer; 1,0 × 0,5 mm) i de lavere strømområder til 3812 (0,150 tommer × 0,100 tommer; 3,81 × 2,54 mm) til sikringer med højere kapacitet og stadig en lille størrelse.

I årenes løb har sikringsleverandører udviklet specialiserede versioner af smeltbare linkenheder med unikke attributter til at imødekomme kredsløbsbehov. I erkendelse af denne situation er SinglFuse-enheder tilgængelige med forskellige responsegenskaber, herunder:

• Hurtigt response
• Hurtigtvirkende præcision: Med strammere tolerance på nøglespecifikationer
• Langsomt slag: Til at håndtere en midlertidig overstrøm, der overstiger sikringens aktuelle værdi
• Tidsforsinkelse: Tillader elektrisk overspænding i kort tid, før den rent faktisk blæser
• Høj startstrøm: For ekstrem opstartsstrøm

Bemærk, at specifikationerne for de aktuelle versus tidsprofiler for disse forskellige sikrings egenskaber er defineret på deres respektive datablade og skal undersøges af designeren for at få det bedste match til applikationen.

Strøm klassificering viser rækkevidde af ydeevne

Designere kan bruge SMD-sikringer på tværs af en bred vifte af nominelle strømværdier. For eksempel: SF-2410FP0062T-2 hurtigvirkende præcisions SMD-sikring er anbragt i et keramisk rør med et EIA 2410 (6125 metrisk) fodaftryk og måler ca. 6 mm langt og 2,1 × 2,6 mm på den rektangulære ende (figur 3).

Figur 3: Bourns SF-2410FP0062T-2 er en hurtigtvirkende præcisions SMD-sikring i en rektangulær pakke. (Billedkilde: Bourns)

Denne sikring er specificeret til 125 volt AC/DC-drift og har en nominel nominel værdi på 62 milliamp (mA) sammen med en typisk I²t klassificering af 0,0012 A²s. Mens top-resume-specifikationen er, at den åbner inden for fem sekunder ved 200 % af den nominelle strøm, vil brugerne sandsynligvis ønske at studere dens præstationsgrafer, der kvantificerer pre-buetid (figur 4) og I²t- klassificering (figur 5), nøgleindikatorer for sikringens responstid. Designere skal være opmærksomme på IR-spændingsfaldet gennem sikringen, når de arbejder inden for dets strøn-klassificering på grund af dens modstand på ca. 6 ohm; dette fald er under 40 mV maksimalt.

Figur 4: Databladet til SF-2410FP0062T-2 indeholder detaljer om sikringens pre-buetid fra meget lav strøm op til dens nominelle maksimum der er en parameter, der definerer sikringens respons-versus-strøm-profil. (Billedkilde: Bourns)

Figur 5: Databladet for SF-2410FP0062T-2 viser også den kritiske I²t profil for akkumuleret termisk energi på forskellige strømniveauer. (Billedkilde: Bourns)

En meget forskellig rækkevidde og ydeevne profil tilbydes af SF-1206S700 træge sikring (figur 6), en 7 A-enhed, der er specificeret til at åbne inden for fem sekunder ved 250 % af dens maksimale nominelle strøm.

Figur 6: SF-1206S700 overflademontering med langsom sprænging i Bourns SF-1206S-serien er en 7 A-enhed, der er specificeret til at åbne inden for fem sekunder ved 250 % af dens maksimale nominelle strøm (Billedkilde: Bourns)

SF-1206S700 bruger en anden pakke og teknologi end SF-2410FP-T og kommer i en 3216 (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm) flad pakke, der kun måler 0,6 mm høj på grund af dens tyndfilmskonstruktion (figur 7). Modstand på kun 7 milliohms sikrer et lavt IR-fald på lige under 50 mV ved maksimal strøm.

Figur 7: Denne afbrydelse af SF-1206S700 SMD-sikring (træg) giver et antydning af de sofistikerede materialer og teknologi, der går i at fremstille enheden. (Billedkilde: Bourns)

Databladet for denne sikring har grafer svarende til dem for SF-2410FP-T 62 mA sikring og har som en træg sikring også brug for en "I²T Derating Curve vs Repeater Rush Current ”kurve, der yderligere definerer træg sikringsydelse med gentagen fuld on/off-kredsfunktion (figur 8).

Figur 8: Sikringer med langsom slag er ofte udsat for gentagne cyklusser med høj startstrøm, så SF-1206S700-databladet tydeliggør virkningen af disse cyklusser på sikringsadfærd. (Billedkilde: Bourns)

Det er nyttigt for designere at foretage praktisk evaluering af forskellige sikringer med hensyn til deres type, vurderinger og størrelse, men der er en udfordring at gøre det. I modsætning til aktive komponenter (f.eks. Op-forstærkere) eller passive (modstande, indikatorer, kondensatorer) er en sikring en engangsenhed og kan kun testes fuldt ud ved at skubbe den til effektiv selvdestruktion. Som en konsekvens er det nyttigt at have flere forskellige sikringsværdier og typer i hånden til evaluering.

For at lette denne proces tilbyder BournsSF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab Kit til hurtig drejning af prototype test (Figur 9). Den indeholder fem hver af 18 langsomme slagsikringer (i alt 90 stykker) i 0402-, 0603- og 1206-sikringer ((1608 til 3216 metriske); den lignendeSF-FP-LAB1 kit har 160 stykker hurtigtvirkende præcisionssikringer (fem hver af 32 værdier) i 0402 til 1206 (1005 til 3216 metriske) pakker.

Figur 9: Da test ofte fører sikringer til selvdestruktion, er designsæt som dette SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab-sæt til langsomme slagsikringer lettere for designeren at evaluere størrelse, montering, termiske problemer, ydeevne og andre problemer. (Billedkilde: Bourns)

Konklusion

På trods af deres konceptuelle enkelhed er termiske sikringer sofistikerede, passive elektriske og mekaniske komponenter baseret på avancerede termiske, materiale- og fabrikationsovervejelser. Da kredsløb og produkter krymper, hvilket gør udskiftning af brugere af en sikring mere og mere upraktisk, uklogt eller endda farlig, er behovet for SMD-sikringer, der håndteres ligesom enhver anden SMD-enhed, tydeligt. Derudover forenkler SMD-sikringer monterings- og fremstillingsprocessen og reducerer designets følsomhed over for vibrationer og korrosion.

Som vist tilbyder Bourns SinglFuse-serien af SMD-sikringer designere en bred vifte af overstrømsbeskyttelsesområder og -typer, der imødekommer behovene i nutidens produkter og fremstillingsprocesser til pc-kort.

Yderligere studier:

1. SinglFuse SMD-sikringsvejledning
2. Bourns SinglFuse SMD-sikringer
3. Bourns hurtigvirkende præcision og tidsforsinket SinglFuse SMD-sikringsdesignssæt

Reference

1. IEEE 2007 8. internationale konference om elektriske sikringer og deres applikationer, “Til oprindelsen af sikringer”