表面贴装保险丝技术可满足 EV 可靠性要求

作者： AEM Components技术销售经理 MIKE ROACH

电子产品的汽车应用要经受最恶劣的环境——广泛的温度变化、冲击和振动，以及暴露于潮湿、水和盐中。传统上，刀片式汽车保险丝位于仪表板下方的保险丝盒中，可提供必要的故障保护。但随着汽车变得“智能”和“互联”，越来越多的嵌入式和分布式电子设备需要安装在 PC 板上的电路保护。随着电动 (EV) 和混合动力电动 (HEV) 车辆的迅速出现——大多数都配备高能锂电池系统——对可靠的电路保护装置的需求至关重要，以防止发生灾难性故障。这些应用都将重点放在改进表面贴装熔断器技术上。

本文介绍了一次性表面贴装保险丝的常见类型，并比较了每种类型的替代保险丝结构。它展示了模拟真实应用场景的比较测试结果，以展示最新一代表面贴装保险丝提供的显着更好的性能。

对表面贴装保险丝的需求从历史上看，通常是行业对技术进步的需求最终推动了广泛应用的采用。例如，首先由电视行业开发的更亮、更高效、更轻的显示器现在已成为消费、商业、工业、军事和航空航天应用中不可或缺的一部分。同样，汽车行业的需求似乎正在推动电路保护技术的进步。

可复位器件是过流条件是暂时故障条件结果的理想选择。但在许多应用中，特别是在故障电流可能导致其他电路或系统严重损坏的应用中，古老的保险丝仍然是保护的最佳选择。虽然传统的夹装式玻璃管保险丝在许多应用中都有发现，刀片式保险丝在汽车应用中无处不在，但向更小、分布式和嵌入式电子功能的发展提高了对高性能、节省空间的需求表面贴装保险丝。与片式电感器和多层陶瓷电容器 (MLCC) 类似，表面贴装保险丝采用各种 EIA 标准尺寸进行封装，具体尺寸取决于技术用途和额定值。

虽然存在其他保险丝，但本文重点介绍常见的表面贴装保险丝类型：固体或芯片保险丝和空气中线保险丝。

实体（芯片）保险丝实体或芯片保险丝用于非常广泛的空间受限应用，包括便携式电子设备、娱乐系统、磁盘驱动器等。额定电流的范围通常从低至 125 mA 到几安培。设备提供慢速和快速两种配置。

固体保险丝最常见的两种结构是多层陶瓷型和印刷电路型。陶瓷保险丝具有共烧单片结构，其中嵌入了多达四层可熔材料。在印刷电路结构中，器件主要由环氧树脂基板和玻璃纤维（FR4）结构组成。熔断器元件粘合在印刷电路板的表面并涂有保护性聚合物。

虽然印刷电路样式是最常见的，但陶瓷类型具有几个明显的优势。由于其单片结构，它能够在更小的封装中提供更高的额定电流，具有更宽的工作温度，并在极端条件下具有稳定的工作特性。此外，该结构不易受到机械损坏。

陶瓷熔断器技术的一个新进步是 SolidMatrix 陶瓷熔断器。这种实心陶瓷保险丝的专利多层结构可在宽温度范围（–55°C 至 150°C）内提供出色的机械和热稳定性。

图 1 显示了 SolidMatrix 陶瓷保险丝和传统印刷电路型保险丝在过流故障条件下的表现。右侧传统印刷电路板型保险丝的保险丝元件按预期打开，但高过电流故障条件导致表面熔化、开裂和机械完整性受损。结果，电弧和表面损伤在右图中非常明显。

如图 1左侧的图像所示，SolidMatrix 陶瓷保险丝的表现要好得多。该设备的专有结构允许将金属熔断元件融合到陶瓷中；此外，它们的中心位置确保能量包含在体内。因此，机械完整性得以保持，并且设备的外观没有外部变化。

图 1：SolidMatrix 陶瓷保险丝的单片结构（左）吸收故障电流并且没有显示外部损坏——与传统印刷电路型芯片保险丝的可见损坏（右）相比。

空气中线式熔断器空气中线式熔断器通常用于需要快速动作和卓越电弧抑制的高工作电流应用中。应用包括电池充电器、电池组和承受极高故障电流和更高电压的电路。这种类型的保险丝的常见结构是将易熔线元件安装在陶瓷管内，并通过焊珠连接到端盖。

传统的空气中线保险丝有几个缺点。端盖脱落是传统结构中常见的失效模式。由于陶瓷管内的线元件放置的可变性，性能也缺乏一致性。此外，在最坏的情况下，高电流应力条件下，陶瓷管中的焊料会蒸发并产生压力，直至保险丝爆炸。如果发生这种情况，焊料会重新沉积在迹线上，这可能会导致二次导电路径，从而产生潜在的严重后果。

相比之下，先进的 AirMatrix 空气中线保险丝的保险丝元件使用专有的密封空气中线结构，可确保一致的电气性能。AirMatrix 的熔断器元件均匀地穿过空腔并从外部粘合到端盖上。与传统的方形纳米型保险丝不同，采用陶瓷主体和焊接连接设计，AirMatrix 保险丝采用玻璃纤维强化主体和无焊直接连接结构。

图 2  显示了两种传统的 EV 短路条件下的空气中线保险丝。250 V/250 A 的样品 A（左图）和 450 V/450 A 的样品 B 显示出对保险丝的严重损坏以及对周围电路的附带损坏。在波形中，流经保险丝的电流（黄色迹线）分别显示最终导致印刷电路板损坏的次级电流。

图 2：两个传统的空气中线保险丝在极端过载条件下造成的损坏——模拟灾难性的 EV 电池短路。

当遭受与方形纳米管保险丝相同的 EV 电池短路时，AirMatrix 保险丝的先进结构能够承受 450-V/450 A 的条件，而不会受到任何外部损坏（见图 3）。请注意在波形中，通过 AirMatrix 保险丝的电流（黄色迹线）如何下降到零。电压（绿色迹线）显示 AirMatrix 保险丝开路，没有二次导通。

图 3：AirMatrix 保险丝在承受极端过载条件后未受到损坏——模拟灾难性的 EV 电池短路。

满足汽车标准汽车应用工程师需要使其设备符合 AEC-Q200 汽车标准。正如可靠性测试所证明的那样，SolidMatrix 多层陶瓷芯片保险丝和 AirMatrix 空气中线保险丝采用的新结构与典型的保险丝方法相比具有显着优势。这些保险丝在经过 TS16949 认证的设施中制造，专为在高应力汽车应用中可靠运行而设计。

审核编辑 黄昊宇