因应新兴市场趋势的电路保护方案

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电子部件生产商一直面临紧跟着业界发展步伐的挑战，尤其是在汽车、工业、消费电子和电信应用方面，电子部件数量的成长和高密度，更让人眼花缭乱。

本文讨论了TEConnectivity旗下的一个业务部门-TE电路保护部门如何因应这些市场中出现的一些快速变化。该公司所采用的方法，可确保为新兴技术的开发提供各种客制化的产品，同时为现有技术提供创新且高价效比的解决方案。

现有材料和专长

自从三十年前成立为Raychem电路保护部以来，TE电路保护部就相当注重与电子设备设计者保持合作，并且高瞻远瞩，注重先进材料的研究和开发。这种方法使得该公司将高分子正温度系数(PPTC)技术方面的最初突破扩展到更广的行业和应用领域。TE电路保护部还透过整合高分子材料和其他保护技术，扩大电路保护技术的应用范围。例如透过金属氧化物压敏电阻和稳压二极管的结合提供协同过电流／过电压保护。图1列出了专门因应产业发展需求的一些具有标志性意义的产品发展。

新一代锂电池保护方案

便携式电池市场正在从传统低功率便携应用朝更高功率应用发展。锂电池的动力便携应用见证了这一个趋势，例如该产品在电动工具，机动车动力(如电动自行车)或备用电源(如太阳能电池板的备用系统)上的应用。当锂电池变得更强大、更轻便、更环保时，它们也需要比镍镉电池更严格的安全设计，同时为应对高功率应用锂电池设计而出现的各种新兴安全标准将需要新水平的保护方案。

目前，市场上很少有对于额定值在30VDC／30A以上的高速率放电电池应用的保护方案，而许多高能量放电锂离子应用中的传统电路保护技术往往比较大型、复杂或昂贵。其中一种方案是将芯片和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETS)结合使用。另一种设计技术可以在需要30A以上工作电流的直流电源应用产品上采用常规双金属保护器。但是，接触面积必须足够大才能应对这种电流。此外，开关周期次数必须是有限的，由于接触面间产生的电弧可能会造成接触面损伤。

2010年11月时，TE电路保护部推出了金属混合PPTC(MHP)。这款MHP部件解决了市场上对高价效比电路保护部件的需求，可以取代或帮助减少在一些复杂IC／FET电池保护设计中使用的放电场效应管和附随的散热片的数量。从本质上而言，该产品为新兴的高速率放电锂电池应用提供了节省空间、成本降低和强化保护的优势。这款新型混合部件将双金属保护器与PPTC部件并行连接，提供了可复位过流保护，同时利用PPTC部件的低阻抗来说明抑制双金属保护器在更高电流下产生电弧。

如图2所示，在正常工作过程中，由于接触电阻非常低，所以大部分电流将通过双金属。当一个意外事件发生时，例如转子堵转时，电路中将产生很高的电流，导致双金属触点打开，其触体电阻增加。

当触点打开时，接触电阻迅速增加。如果接触电阻比PPTC部件的电阻高，大部分电流就会通过PPTC部件流过，没有电流或很少的电流流经触点，因此抑制了触点之间电弧的产生。当电流分流到PPTC部件时，它的电阻迅速增加到比接触电阻还要高，从而PPTC发热。触点打开之后，PPTC部件开始加热双金属，并使其保持打开状态直到过流事件结束或电源关闭。

应对汽车动力系统的新趋势

随着舒适性和主动安全功能变得越来越普遍，汽车功率电子市场取得了飞速地成长。诸如动力转向和电子停车系统等一些传统机械功能，便开始转向电子应用。

同时，通信市场不断发展。用户对持续连接的需求导致了全世界IT服务器集群和电信中心越来越密集，并随之产生了更高功率机械和更紧密的电路板(PCB)。这些市场趋势催生了对功率电子系统的更大需求，当部件(如功率场效应晶体管(powerFET)、电容、电阻或集成电路(1c)由于长期暴露在苛刻环境中而发生故障时，便很容易发生严重的热问题。

为因应这种趋势，TE电路保护部同样在2010年11月推出了可回流焊热保护部件(RTP)。这款二级保护部件是透过与汽车功率电子设计者合作开发而成的，可满足汽车电子系统对更强大热保护地需求。它也可以满足电信功率系统和高端设备等应用的电路保护需求。

该种类的首款部件可以帮助防止由动力部件失常或腐蚀引起的过热等多种原因造成的热失控事件。当在某一事件中，达到200℃临近温度或以下时，这款表面黏着部件将会打开，并保持在高于正常运行温度但低于无铅焊料熔化水平。

汽车功率场效应晶体管已被证实比在要求较低的应用中安装的部件更易出现疲损和故障。尽管一个powerFET可能通过了最初测试，但是在某些条件下，装置中的随机薄弱环节可能导致装置在现场使用中出现故障。实验证明，即使powerFET在规定的工作条件下运行，也会在不同的电阻水平下出现随机、不可预测的阻性短路。

阻性模式故障尤其值得关注，这不仅仅是对于powerFET而言，印制电路板也一样。仅10W的功率就可能产生温度在180℃以上的局部热点，远远高于印制电路板的典型玻璃化转变温度(135℃)，造成电路板的环氧结构损坏，并产生热事件。图3说明一个出现故障的powerFET可能并不会产生一个完全短路过电流条件，而是产生阻性短路，透过IR受热形成不安全的温度条件。在这种情况下，所形成的电流可能不是很高，不会使标准保险丝熔断并阻止印制电路板上的热失控。

如图4所示，当RTP部件串接在powerFET附近的电源在线时，它会追踪FET温度，如果功率场效应晶体管超过额定温度并产热过多，RTP部件将断开电源线路。

RTP部件可满足汽车功率电子系统的可靠性要求，如冷却扇、ABS，转向动力装置、PTC加热器。RTP200部件的200℃断开温度有助于防止误保护，从而提高系统可靠性，因为该温度高于大部分正常工作的电子部件的正常工作温度范围，但低于常见无铅焊料熔点。所以，当周围的部件在规定温度范围内工作时，RTP200部件不会断开电路，但在旁边的部件脱焊和形成额外短路的潜在风险之前会断开电路。

采用业界标准的即插即用和无铅回流装置，这款表面黏着部件可以快速容易地进行安装，并且可以抵挡多次峰值温度在200℃以上的回流，当在现场发现温度超过200℃时就会切断电路。

(200℃是RTP200的断路温度，它是这一系列的第一款产品。未来将推出更多温度选项。)

经过标准回流安装之后，为了使其能在现场200℃温度时断开，RTP部件使用一次性电子启动工艺获得热敏特性。在进行启动程序之前，部件可承受至少3次无铅回流焊而不断开。进行电子启动的时机由用户决定，可在系统上电或系统测试时自动进行。

持续创新

新型MHP和RTP技术证明了该公司向电子设备制造商提供领先解决方案的承诺。这些领导业界的技术也肯定了TE在材料开发方面的长期投资和与客户的合作，可确保TE电路保护事业部推动现有技术向更新、更小和更方便的形式发展。

这些保护部件是这两款产品系列的先锋。MHP和RTP部件产品线正在因应更广泛的应用需求而不断扩展，如针对400 V／60A应用的MHP部件、具有各种不同电阻和开路温度的RTP部件。