中心議題：

• 熔斷器的工作原理
  
• 熔斷器的主要參數(shù)
  
• 熔斷器選用時(shí)須考慮的主要參數(shù)
  
• 重要參數(shù)的計(jì)算方法
  
• 根據(jù)熔化熱能I2t 選擇熔斷器電流型號(hào)匹配指導(dǎo)
  

解決方案：

• 環(huán)境溫度應(yīng)在規(guī)定工作溫度范圍之內(nèi)，當(dāng)超過(guò)環(huán)境溫度25℃時(shí)，應(yīng)參照溫度折減曲線降級(jí)使用
  
• 熔斷器所在電路中的最高電壓不應(yīng)超過(guò)熔斷器的額定電壓
  
• 額定電流：通過(guò)熔斷器的工作電流不應(yīng)超過(guò)額定電流的75％
  
• 短路截流能力：熔斷器所在的電路中可能出現(xiàn)的最大短路電流不應(yīng)超過(guò)熔斷器的短路截流能力
  
• 熔斷特性：熔斷器在出現(xiàn)需要切斷的過(guò)載電流時(shí)的熔斷速度應(yīng)滿足應(yīng)用上的要求
  
• 熔斷器的I2t應(yīng)大于浪涌電流的I2t
  

熔斷器的工作原理
當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，因?qū)w存在一定的電阻，所以導(dǎo)體將會(huì)發(fā)熱且發(fā)熱量遵循著Q=I2Rt，其中Q是發(fā)熱量，I是通過(guò)導(dǎo)體的電流，R是導(dǎo)體的電阻，t是電流通過(guò)導(dǎo)體的時(shí)間。當(dāng)制作熔斷器的材料及其形狀確定，其電阻R就相對(duì)確定了（若不考慮電阻溫度系數(shù)），當(dāng)通電流后就會(huì)發(fā)熱，隨時(shí)間增加其發(fā)熱量亦增加，如果產(chǎn)生的熱量超過(guò)散發(fā)的熱量，熔斷器的溫度就會(huì)增加，當(dāng)溫度升到熔斷器的熔絲熔點(diǎn)時(shí)熔斷器就發(fā)生熔斷亦即斷開(kāi)電路起到保護(hù)作用。

熔斷器的主要參數(shù)

• 工作溫度： 指熔斷器周圍的溫度，AEM熔斷器的工作溫度范圍為-55℃到+125℃。
• 尺 寸： 片式熔斷器通常采用EIA/EIAJ規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸：1206，0603，0402。
• 額定電壓： 熔斷器在切斷過(guò)載電流過(guò)程中所能承受的最高電壓。
• 額定電流： 熔斷器所能承載的工作電流，目前AEM熔斷器可提供的額定電流范圍由0.25A到8A不等。
• 額定分?jǐn)嗄芰Γ?又稱短路截流能力，額定電壓下能安全切斷的最大故障電流。
• 熔斷特性： 在給定過(guò)載電流情況下的熔斷速度。
• 熔化熱能： I2t指熔斷器熔斷所需要的能量。

熔斷器選用時(shí)須考慮的主要參數(shù)

• 1. 工作溫度：熔斷器工作時(shí)的環(huán)境溫度應(yīng)在規(guī)定的工作溫度范圍之內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)25℃時(shí)，應(yīng)參照溫度折減曲線降級(jí)使用。
• 2. 額定電壓：熔斷器所在電路中的最高電壓不應(yīng)超過(guò)熔斷器的額定電壓。
• 3. 額定電流：通過(guò)熔斷器的工作電流不應(yīng)超過(guò)額定電流的75％。
• 4. 短路截流能力：熔斷器所在的電路中可能出現(xiàn)的最大短路電流不應(yīng)超過(guò)熔斷器的短路截流能力。
• 5. 熔斷特性：熔斷器在出現(xiàn)需要切斷的過(guò)載電流時(shí)的熔斷速度應(yīng)滿足應(yīng)用上的要求。
• 6. I2t：熔斷器的I2t應(yīng)大于浪涌電流的I2t 。

重要參數(shù)的計(jì)算方法
1. 溫度折減率： 當(dāng)熔斷器工作的環(huán)境溫度高于25℃時(shí)必須考慮溫度的影響，在選擇熔斷器額定值時(shí)可依據(jù)：額定電流=工作電流/0.75/溫度折減率。 例如：如果工作溫度為65℃，從AEM溫度折減曲線可查出折減系數(shù)為90%,如果工作電流為4A,則我們應(yīng)該選用的熔斷器額定值為：4/0.75/90%=5.9A或6A。

AEM熔斷器溫度折減曲線如圖一所示：

 

2. 幾種典型波形的I2t計(jì)算方法：
1）方波：


2）正弦波：



3）三角波：



4）衰減波：



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根據(jù)熔化熱能I2t 選擇熔斷器電流型號(hào)匹配指導(dǎo)
I2t通常用于衡量一個(gè)熔斷器熔斷時(shí)所需要的能量，其中I為過(guò)載電流，t為熔斷時(shí)間。

I2t并非一個(gè)常數(shù)，原因是一個(gè)熔斷器的熔斷時(shí)間并非單由生產(chǎn)的熱量決定。散熱的速度及熔斷器的熱容特性，均會(huì)影響熔斷時(shí)間。熔斷器的能量平衡關(guān)系可用下面的簡(jiǎn)化公式來(lái)表達(dá)：



其中m為熔斷器的質(zhì)量，Cp為比熱或熱容系數(shù)，T為溫度，t為時(shí)間，為升溫速率，I2R為電轉(zhuǎn)化為熱能的速率。這只是一個(gè)簡(jiǎn)化的式子，因?yàn)槿蹟嗥鞑⒎怯蓡我坏牟牧辖M成，而且材料的物性亦是溫度的函數(shù)。

當(dāng)產(chǎn)生熱量的速率等于散熱速率時(shí)，=0，即溫度T不隨時(shí)間而變，熔斷器的溫度達(dá)到平衡。

熔斷器的散熱，主要由三種傳熱機(jī)理組成，即傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。這三種傳熱方式，其傳熱速率均與熔斷器及外界環(huán)境的溫度差有關(guān)。當(dāng)溫度差越大時(shí)，傳熱的速率亦越大。傳導(dǎo)傳熱主要是通過(guò)熔斷器的本體材料，將電熱從熔斷器的導(dǎo)電部分傳到周邊，包括通過(guò)端頭傳到線路板及由外表面?zhèn)鞯街車目諝庵?。?duì)流傳熱是由周圍空氣的流動(dòng)產(chǎn)生，對(duì)流傳熱有兩種方式：一為自然對(duì)流，即由于熔斷器表面的空氣被熔斷器加熱而產(chǎn)生密度的變化所造成；另一為強(qiáng)制對(duì)流，即由電子器件內(nèi)排風(fēng)扇強(qiáng)制空氣的流動(dòng)造成。輻射是由熔斷器表面產(chǎn)生的熱輻射造成，其速率取決于熔斷器表面溫度與環(huán)境溫度四次方之差和熔斷器表面及散熱空間的黑度。

當(dāng)熔斷器產(chǎn)生熱量的速度大于散熱速度時(shí)，>0，即溫度隨時(shí)間而上升。如果散熱速率不能因?yàn)楸旧頊囟鹊纳仙降扔跓崃慨a(chǎn)生的速率時(shí)，熔斷器導(dǎo)電部分的溫度將會(huì)一直上升，直至達(dá)到導(dǎo)電金屬的熔化溫度，而將導(dǎo)電體熔斷，而達(dá)到過(guò)流保護(hù)的目的。

在電子電路中，時(shí)常會(huì)用到電容和電感。電容和電感均會(huì)在電流變化時(shí)吸收或放出能量，這就會(huì)造成瞬間的大浪涌電流。這些浪涌電流通常在電路開(kāi)和關(guān)時(shí)較大，有時(shí)浪涌電流會(huì)是穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)倍，甚至是十?dāng)?shù)倍。電路設(shè)計(jì)師在選用熔斷器時(shí)，要考慮熔斷器承受浪涌電流的能力。

I2t的數(shù)據(jù)或圖表，可用于估算熔斷器熔斷所需的能量，和熔斷器承受浪涌電流的能力。

由于I2t不是一個(gè)常數(shù)，有些廠家提供I2t相對(duì)于電流或熔斷時(shí)間的變化曲線供用戶參考。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線中我們可以看到，表面貼裝片式熔斷器的I2t只有在電流達(dá)到額定電流的1500%才會(huì)趨于穩(wěn)定。有些廠家提供熔斷時(shí)間為0.001秒時(shí)的I2t供用戶參考。但是我們要注意到0.001秒時(shí)的I2t與0.0005秒時(shí)的I2t是不同的。只有在浪涌電流的脈沖時(shí)間與參考的熔斷I2t的時(shí)間接近時(shí)，I2t才有參考意義。如果我們將前面熔斷器能量平衡的公式對(duì)時(shí)間作一個(gè)積分，我們可以得到：


只有在m， Cp，R，I及散熱速率均與溫度及時(shí)間無(wú)關(guān)時(shí)，我們才可以得到I2t的常數(shù)關(guān)系，

即：

或
但實(shí)際上物性數(shù)據(jù)m（質(zhì)量），Cp（熱容），R（電阻）均是溫度的函數(shù)，而散熱速率更因溫度的升高而升高，所以將I2t作為一個(gè)常數(shù)來(lái)考慮，只是非常粗略的一種近似。只有在熔斷時(shí)間非常短，而散熱和導(dǎo)體周邊材數(shù)的吸熱都可以忽略不計(jì)時(shí)，這種近似才有意義。


一些測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)過(guò)載電流達(dá)到額定電流的1500%時(shí)，I2t接近于一個(gè)常數(shù)。
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下面我們通過(guò)兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明如何根據(jù)浪涌電流的I2t來(lái)選用能夠承受該浪涌電流的熔斷器。

例1:下圖為一個(gè)用戶所提供的浪涌電流曲線：



我們可以根據(jù)I和t的數(shù)據(jù)算出I2t與t的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)標(biāo)在I2t相對(duì)于t的熔斷器特性圖上。



上圖下面兩條熔斷器的I2t曲線均在局部低于電流浪涌脈沖的I2t。這說(shuō)明這兩個(gè)熔斷器的熔斷能量，均低于浪涌電流脈沖的能量。這兩個(gè)熔斷器不適用于這一電路。

第三條熔斷器的I2t曲線在電流浪涌脈沖I2t曲線之上。這一熔斷器有可能用于這一電路。我們?cè)谶@里之所以說(shuō)“有可能”，是因?yàn)槲覀冞€要考慮其他使用條件。這些條件包括：

• (1)要有多大的I2t安全系數(shù)才能保證滿足由于電路元件參數(shù)的散布（包括熔斷器自身），和多次脈沖造成的熔斷器降級(jí)（derating)的要求；
• (2)由于使用溫度高于環(huán)境溫度而作的降級(jí)使用；
• (3)電流最高電壓和最大要求分?jǐn)嗄芰π枰∮谒x用的熔斷器的最高使用電壓和最大分?jǐn)嗄芰Γ?/li>
• (4)在電流出現(xiàn)短路故障時(shí)，熔斷器的反應(yīng)時(shí)間是否足夠快。

第(2)、(3)點(diǎn)前面已經(jīng)討論，在此不作重復(fù)。第(4)個(gè)條件的分析方法與本文抗浪涌電流的分析是一樣的。不同之處只是條件相反?？估擞侩娏魇且笕蹟嗥鞑粩啵搪繁Ｗo(hù)則要求熔斷器要斷得足夠快。

在這里，我們重點(diǎn)分析第(1)點(diǎn)。實(shí)際選用的熔斷器的I^{2}t_{F}值，即相應(yīng)于電流浪涌I2tmax最大值處的熔斷器的I2t值， 應(yīng)該滿足：


為熔斷器參數(shù)散布的安全系數(shù)，一般為25%-45%。為考慮電路參數(shù)分布的安全系數(shù)。可以通過(guò)實(shí)測(cè)多個(gè)電路浪涌電流的分布來(lái)取得。如未取得實(shí)測(cè)參數(shù)或在作電路設(shè)計(jì)的初步估算時(shí)，可選用25%-45%。為浪涌脈沖使熔斷器老化所需加入的安全系數(shù)。這一系數(shù)與熔斷器的設(shè)計(jì)及材料、脈沖的條件及次數(shù)有關(guān)。有的廠家建議，在脈沖使用次數(shù)為100,000 次時(shí)，熔斷器的使用I2t要降級(jí)到標(biāo)稱I2t的22%來(lái)使用，即應(yīng)為(1/22%-1) =354%。這種大幅度的降級(jí)使用，與熔斷器的設(shè)計(jì)和使用材料有關(guān)系。這類熔斷器采用有機(jī)復(fù)合材料作為基板，其散熱較慢，故在使用脈沖降級(jí)曲線時(shí)，要保證脈沖之間要有10秒時(shí)間來(lái)讓熔斷器散熱。這類熔斷器采用銅膜來(lái)做熔斷絲，其優(yōu)點(diǎn)在于有較低的電阻及較低的成本，但銅的熔點(diǎn)是1083℃。這遠(yuǎn)高于有機(jī)復(fù)合基材的耐受溫度。為了降低熔斷絲的熔化溫度，在銅的熔斷絲上加了一些焊錫。在電流通過(guò)銅的熔斷絲時(shí)，溫度會(huì)上升，當(dāng)溫度升至焊錫的熔點(diǎn)時(shí)，焊錫會(huì)與銅形成低熔點(diǎn)合金，而使銅熔斷絲在較低的溫度下熔化。這一方法有效地降低了熔斷絲的熔化溫度，但亦使熔斷器更容易老化。當(dāng)熔斷器在承受反復(fù)的脈沖時(shí)，溫升會(huì)加速焊錫擴(kuò)散到銅的熔斷絲中，使銅的熔點(diǎn)逐步降低，而最終有可能在較低的電流下即熔斷。一些測(cè)試結(jié)果證明了這一現(xiàn)象的存在。

AEM熔斷器具有良好的抗脈沖老化性能，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，AEM熔斷器在多次脈沖后不會(huì)出現(xiàn)明顯的老化現(xiàn)象，因此我們建議客戶選用100%-200%作為100,000次使用的，而無(wú)需將定為354%。

例2:當(dāng)有一脈沖波形如下圖時(shí),可以用疊加法計(jì)算出熔化能量數(shù)值: I2t=(242x120+1/2x44.42x80)*10^-6=0.15(A2s)計(jì)算出熔化熱能后即可按照上述方法選取相應(yīng)的fuse型號(hào)。