泰科电子以创新技术深耕电路保护市场

1万 · 2011-5-22 23:59

随着半导体工艺技术的发展，半导体器件日益变小，其外部的氧化膜也变得越来越薄，这样，半导体器件对瞬变的敏感度越来越高，导致半导体器件更易遭受过压过流过热的冲击而损坏，这一方面加大了电路保护器件的需求，另一方面这也推动电路保护器件要推陈出新，应对不断出现的保护难题，在这方面，各电路保护器件供应商各显身手，发挥特长，推出了基于各类新材料和新工艺的新器件，近日，以电路保护著称的泰科电子就推出了用于汽车电子可进行回流焊工艺装配的回流热保护（RTP）器件和用于锂电池保护的自复式保护器件，泰科电子电路保护产品部全球战略销售总监Eric Braddom亲临中国，详细介绍了这两款器件的特点

1万 · 2011-5-22 23:59

1万 · 2011-5-23 00:09

一、回流热保护器件瞄准阻性故障下的电路保护

“很多电路保护主要针对器件出现的过压、过流和短路保护，却没有考虑器件的阻性故障。”Eric Braddom指出，“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。实践证明，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，这不仅仅是相对于 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摄氏度以上的局部热点，远远高于印制电路板的典型玻璃化转变温度（135摄氏度），造成电路板的环氧结构损坏，并产生热事件。”

1万 · 2011-5-23 00:20

图1 一个典型的阻性短路故障示意图
图1 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，通过I2R受热形成不安全的温度条件。在这种情况下，所形成的电流可能并不是很高，不会使标准保险丝熔断并阻止印制电路板上的热失控。
他指出实践证明与工作环境相对温和的应用相比，汽车的 powerFET 更容易出现疲损和故障。通过对比一段时间内的powerFET故障情况，我们发现用于苛刻环境条件（比如汽车应用）下的装置的 ppm 故障率要高得多。实地使用五年后，这种差别可达 10 倍以上。“很多时候，器件的故障并不表现为短路或者开路，更多这种阻性短路，如果电路板上某点为阻性短路，则只要10W功率就可以在局部产生180度高温，会损坏电路板结构。”
应对这样的保护需求，泰科电子推出了首款可回流焊热保护(RTP)器件，该RTP器件的独特性能在于它能够承受住多次峰值温度远超过200°C的回流焊，然而当它在实际应用检测到温度超过200°C时就会形成开路。

图2 RTP器件装配原理
为了使其能够在实际应用情况下于200°C时实现断开，RTP器件采用了一种一次性电子激活程序而使其变得热敏感。激活之前，它能够承受住3次无铅焊料回流步骤而不会断开。电子激活时间节点由用户决定，可以在系统启动或系统测试过程中自动实现。
在实际应用中，当 RTP 装置在 FET 附近的电源线上串联时，它会跟踪 FET 温度，在缓慢的热失控在电路板上形成破坏性热条件之前断开电路。如果某功率器件故障或板缺陷形成不安全的高温条件时，RTP200 器件（在 200摄氏度打开，该温度高于正常工作温度，但低于无PB焊料回流温度）将会中断电流，阻止热失控，避免造成重大损坏。

图3 RTP器件会跟踪FET 温度
“这个器件带来的其他好处是这个器件可以采用业界标准的元件贴裝和无铅回流焊设备，这可以让制造商用回流焊工艺来装配保护器件，这相比他们以前采用手工装配节省了大量费用。” 泰科电子电路保护产品大中华区高级销售经理江如祥补充道。
相比目前使用的其他热保护器件，RTP器件的优势很明显，如下图所示：

图4 RTP器件的优势很明显

1万 · 2011-5-23 00:25

二、金属混合聚合物正系数温度电阻(Metal Hybrid PPTC, MHP)保护器件让大电流锂电池更安全
目前，锂离子电池因具有工作电压高、能量密度大(重量轻)、无**效应、循环寿命长和无污染等优点而成为各类电子产品的主力电源，并逐步取代氢镍电池，据统计，全球锂离子电池的需求量将从2009年的19.7亿块增长到2015年的34亿块！复合年增长率高达8.5%，锂离子电池已经从笔记本电脑、便携式消费电子产品应用延伸到各类电动工具、电动自行车、电动汽车、后备电源等大功率高电流应用领域，发生于手机等便携式产品上的锂电池爆炸事件这也引发了对大电流锂离子电池的保护需求。

1万 · 2011-5-24 22:23

““要满足大电流锂离子电池保护需求，除了要有基本的锂离子电池过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护外，还要考虑大电流锂离子电池高速放电应用时的保护！” 江如祥指出，“目前业界很少有针对高速放电电池应用的保护方案，大都采用传统电路保护技术，这些方案往往体积大、复杂度高而且价格昂贵。”

针对高速放电电池应用保护，泰科电子推出了推出金属混合聚合物正系数温度电阻(Metal Hybrid PPTC, MHP)技术，它可用于额定值在30VDC/30A以上的各种高速放电电池应用， MHP技术采用了一种新型混合电路保护方法，它将一个双金属保护器与一个聚合物正温度系数（PPTC）器件并连在一起。这种集成化的解决方案提供了一种可自我恢复的过流保护方法，它利用PPTC器件的低阻抗来防止双金属保护器在更高电流时的电弧放电行为，同时通过加热双金属来保持它的开路和闭锁状态。

其工作原理是，在正常状态下，由于双金属片的电阻低，电流通过双金属片流过。在异常情况下，比如电动工具转子闭锁时，电路中将产生很高的电流，导致双金属触点打开，其接触电阻增加。此时电流将通过低电阻的PPTC流过。流过PPTC的电流，不仅抑制了触点之间电弧的产生，同时又加热双金属片，使其保持在打开状态和锁定位置。这种集成设计满足了大电流直流应用中具有电弧抑制功能的可复位过流保护器件的要求。

1万 · 2011-5-24 22:24

图5 MHP 器件工作原理
如图5 所示，MHP 器件的动作步骤包括：
1、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。
2、触点开始打开，接触电阻迅速上升。当接触电阻高于 PPTC 器件电阻时，大部分电流将分流至 PPTC器件，流经触点的电流会很少或完全没有，从而防止触点之间产生电弧。当电流分流至PPTC 器件时，其电阻迅速上升，并达到远远高于接触电阻的水平，使 PPTC 温度上升。
触点打开后，PPTC 器件开始对双金属进行加热，让其保持打开状态，直到过电流条件消失或电源关闭为止。PPTC 器件的电阻要远远低于陶瓷PTC 器件电阻，也就是说即使触点只打开一小部分，接触电阻只是略有上升，电流也会被分流至 PPTC 器件，从而有效防止触点产生电弧。一般情况下，陶瓷PTC 器件与聚合物PTC 器件的电阻相差约 10的两次方(x10^2)。所以，电阻较高的陶瓷 PTC 装置在抑制高电流电弧放电方面远不如聚合物 PTC 器件有效。

1万 · 2011-5-24 22:31

从原理上可以看出，MHP器件的关键是其触点设计，很多人也许担心，时间久了，其触点性能是否有改变而影响保护？对此，江如祥表示：“MHP器件将设计重点放在双金属盘上，因为没有热触点的双金属盘有足够的强度保持稳定。此外，我们还给移动接触臂增加了一个倒钩，以增加双金属盘提供的接触压力。移动接触臂通过装置另一侧的插销固定。在接触点上增加一个倒钩可减少移动臂的转动，在两个触点上产生更大的向下压力。MHP器件经过了 1000次冲击和 1500 次掉落测试，未出现故障；此外还通过了三次 3000克冲击测试。”

1万 · 2011-5-24 22:41

图6 泰科电子给移动接触臂增加了一个倒钩

图7 与其他传统保护方案相比，MHP器件的优势很明显
已规划的MHP器件产品系列的首款产品MHP30-36器件的最高额定值为36VDC/100A，其中在100A电流（25°C）时的动作时间不到5秒。该器件的保持电流是30A，初始阻抗低于2mOhms。采购五万片的价格是2美元，比较有竞争力。
Eric Braddom表示MHP器件能针对各种不同的应用进行配置，并且现在正开发能够支持更高电压（高达400VDC）和保持电流(60A)的器件。未来的设计考虑包括在电动踏板车和轻型电动车（LEV）中使用的锂离子电池组的电池保护，以及各种备用电源应用和非电池应用，如电动马达保护。