電路中精密電阻和熔斷器的兩級保護方案

羅亞濤 孫 康 曾憲旦 陳 鎮(zhèn)

（南京薩特科技發(fā)展有限公司 南京 210049）

引言

據(jù)公開信息，我國每年火災報警數(shù)量約20 萬起，造成上千人傷亡和數(shù)十億財產(chǎn)損失。從起火原因看，排在首位的電氣引發(fā)的火災在所有火災中占比34 %，用火不慎引發(fā)火災占17 %，排在第二位。電氣引起的火災主要原因包括電路短路或異常電流/電壓引起的電路過流或過壓，進而導致元件或電路環(huán)境過熱引起易燃材料燃燒或爆炸。

通常情況下，針對電路保護需要，會在電路中安裝一些防護元器件，如熔斷器、熱敏電阻、壓敏電阻、靜電抑制器等保護元器件[1]，可針對過流、過壓、過溫以及靜電問題可能導致的電路異常起到保護作用。

常規(guī)的保護元器件工作時均需要比較明顯的電源信號波動，如IEC 標準[2]規(guī)定熔斷器需要在1 ～1.05 倍額定電流下堅持100 次的1 小時耐久試驗，且在1.25 倍額定電流下堅持1 小時不熔斷才算符合要求，熔斷器在偶爾不超過額定值25 %的情況下基本上不會做保護動作；而通常情況下壓敏電阻閾值也高出電路正常使用電壓的2 ～4 倍，甚至更高。

但隨著電子電路的小型化和精密化發(fā)展，產(chǎn)品總體回路電流電壓越來越低，同時要求在更小的信號波動范圍內(nèi)對電路進行精密控制。如智能穿戴、手機等，都是逐漸在往小型化和精密化發(fā)展。另外隨著現(xiàn)代化電子設備需要實現(xiàn)的功能越來越多，導致更多功能性的支路電路越來越多，通常情況下支路的輸入輸出電流信號要遠遠小于總回路，所以同樣面臨精密控制和保護的電路需求。

針對上述問題和需求，針對不同電路異常信號的精密測量和控制逐漸成為電路中一種新的保護需求方案。

通常情況下，傳統(tǒng)電阻器在電路中的作用主要是限流穩(wěn)壓，一般采用厚薄膜工藝制造。但隨著材料和電阻技術的迅速發(fā)展，新型的電阻器逐漸在電路中發(fā)揮更多的作用，如超低阻精密電阻器可以作為電路信號的偵測，壓敏和熱敏電阻可以作為感應元器件用來作為保護器件，點火電阻可以作為熱源用于引爆或者熱觸發(fā)等。其中超低阻電阻器作為一種信號偵測的元件，可以配合其他保護期間形成兩級的電路保護方案。而且相對于其他電阻相對“粗放式”的保護機理，超低阻精密電阻的保護更加精密，更加符合日益發(fā)展的精密電路。

1 超低阻精密電阻器的電路保護原理

通常情況下，行業(yè)定義100 mΩ 以下，精度在±1 %以下的電阻為超低阻精密電阻器。而電阻器制造企業(yè)則將阻值在10 mΩ 以內(nèi)的電阻作為超低阻電阻。

由于電子設備和儀器的小型化發(fā)展，電路中的電壓較低，根據(jù)伏安法測電阻原理，由于在電路電壓一定時，回路中的電流大小與阻值呈反比，所以為了獲得更加精準的測量結果，盡可能降低電阻值，可以將輸出的電流信號放大，便于偵測和控制。

根據(jù)上述理論，將超低阻精密電阻串聯(lián)于需要監(jiān)控的電路回路中，實時監(jiān)控電阻兩端電壓變化，將信號值反饋給IC 控制系統(tǒng)，IC 會根據(jù)電壓的變化計算出流經(jīng)電阻器的電流信號變化。當信號變化超出預期設定的范圍后，IC 會根據(jù)要求控制MOS 調(diào)整電壓或電流以實現(xiàn)該回路的穩(wěn)定。

隨著電子電路進一步發(fā)展，未來電路的精密保護對超低阻精密電阻提出更多要求。如更低的電阻值（1 mΩ以下），更高的的精度（±0.5 %以內(nèi)）和更低的電阻溫度系數(shù)（±20 ppm/K 以下）等。

目前薩特科技發(fā)展有限公司（簡稱“薩特”）常用的精密電阻包括焊接沖壓工藝或沖壓塑封工藝的純合金電阻（如圖1所示），合金箔電阻（如圖2所示）和厚薄膜電阻（如圖3所示）等，產(chǎn)品阻值區(qū)段（0.2～1）MΩ，精度最高可達±0.05 %。根據(jù)具體的應用場景選擇相應工藝的精密電阻。

圖1 合金電阻器結構示意圖

圖2 合金箔電阻器結構示意圖

圖3 厚膜/薄膜電阻器結構示意圖

2 熔斷器的電路保護原理

相較于精密電阻的保護原理，熔斷器的保護作用相對比較簡單，其主要依賴于熔斷器對于電路中的電流和電壓波動的反饋。

熔斷器在通過較大的異常電壓或電流信號時，產(chǎn)生的高溫會熔斷器內(nèi)部溫度在短時間內(nèi)達到熔體材料的熔點，熔體融化后導致熔斷器快速斷開，進而斷開熔斷器后端需要保護的電路。

為了避免異常信號對電路的持續(xù)傷害，通常情況下，我們對于熔斷的時間會有相應的要求，如UL 要求熔斷器在2 倍的額定電流下熔斷時間不得大于120 s，在10倍的額定電流下熔斷時間要求在毫秒級別。

目前薩特常規(guī)推薦的貼片式熔斷器主要包括厚薄膜熔斷器（如圖4所示）和管狀熔斷器（如圖5所示）等，產(chǎn)品電流區(qū)0.5 mA～800 A，可根據(jù)客戶實際應用進行選配。

圖4 厚膜/薄膜熔斷器結構示意圖

圖5 管狀熔斷器結構示意圖

通常情況下，一個可單獨運行的回路就需要一套保護系統(tǒng)。如對于具有多功能的多級電路，除了主回路需要保護，各支路同樣需要保護器件的保護，如圖6所示。所以在主回路信號輸入端布置一個或多個較大額定電流熔斷器，核心支路前端可布置精密電阻和較小額定電流熔斷器組合，即可保證整體回路安全，又可針對性的保護電路中的核心部位。

圖6 兩級保護方案示意圖

某無線藍牙音箱項目，采用兩串鋰電池管理IC，兩串四并的電芯，正常工作電流5 A，如圖7所示。過流保護電流27 A，延遲11 ms；短路電流約100 A，延遲450 us。該電路中選用一顆薩特科技的3 mΩ 合金精密電阻作為一次保護，另外選用一顆額定電流25 A 的貼片熔斷器作為二次保護。

圖7 無線藍牙音箱項目示意圖

某筆記本電腦Pack 項目，采用3/4 串鋰電保護IC，短路電流54 A，延遲時間為1 ms，如圖8所示。該電路采用一顆薩特1206 尺寸額定電流7 A 規(guī)格的貼片熔斷器作為二級過流保護。經(jīng)測試該熔斷器在54 A 下的熔斷時間約為10 ms，當電路發(fā)生異常時會先由精密電阻反饋信號給IC 觸發(fā)一級保護，當存在較大異常電流或電壓時，熔斷器會觸發(fā)二次保護。

圖8 某筆記本電腦Pack 項目示意圖

此外，在新能源車用多串電池系統(tǒng)中，其保護板輸入或輸出端通常會各布局一顆管狀熔斷器和精密電阻以保護總體電路安全，部分電源生產(chǎn)商還會在回收電路中布置一顆熔斷器，以防止異常浪涌電流對電路的破壞。

4 結束語

針對目前越來越多樣化的電路保護需求，精密電阻和熔斷器的組合由于成熟的技術方案、較低的生產(chǎn)成本和優(yōu)秀的保護能力逐漸成為電路保護中的主要應用方案，尤其在航空航天、電工電子、新能源、通訊等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。