安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定了什么元件能提供最好的過電流保護(hù)

Todd Philips， Saad Lambaz – Littelfuse公司

大多數(shù)人可能會(huì)認(rèn)為為手機(jī)，游戲機(jī)或平板電腦充電需要花費(fèi)的時(shí)間既不方便又麻煩?？焖俪潆娦枰δ芨鼜?qiáng)大的充電器或電源。 這種電源的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員在強(qiáng)調(diào)設(shè)備安全性的同時(shí)，還要滿足更為嚴(yán)格的成本，尺寸和效率約束。

隨著功率水平的提高，對(duì)過電流保護(hù)的需求也隨之增加。 通常有兩種不同的過電流保護(hù)方法：常規(guī)熔斷器或易熔電阻器。 易熔電阻器的優(yōu)點(diǎn)是將過電流保護(hù)和浪涌電流保護(hù)結(jié)合在一個(gè)元件中。 但是，易熔電阻對(duì)過電流的響應(yīng)不同，會(huì)影響充電器和電源的效率。

過電流保護(hù)方法比較

熔斷器和易熔電阻器的比較

上圖，在標(biāo)稱高效率的充電器電源電路中，比較熔斷器，易熔電阻器及帶有NTC熱敏電阻的熔斷器的性能。 下圖是熔斷器與易熔電阻器的比較以及建議使用的元件。 點(diǎn)擊放大圖片。

當(dāng)超過其額定電流時(shí)，易熔電阻器像熔斷器一樣斷開。 該元件通常是鎳鉻合金元素，其熔化溫度約為1，400°C。 鎳鉻合金的電阻熱系數(shù)低，這使得電阻器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都具有穩(wěn)定的電阻。 在過流條件下，1，400°C的熔化溫度會(huì)加熱周圍的元件和PCB。

熔斷器通常是銅或銀元素，其熔化溫度通常在962°C至1，083°C之間。 熔斷器還具有較高的電阻熱系數(shù)，比鎳鉻合金易熔電阻器高至少十倍。 因此，在過電流條件下，熔斷器的溫度將上升得更快。 熔斷器電阻的上升使熔斷器更快地達(dá)到其熔點(diǎn)。 熔斷器將防止易熔電阻器出現(xiàn)過流情況時(shí)發(fā)生的熱量積聚。 易熔電阻器產(chǎn)生的較高熱量會(huì)損壞其它元件，并有可能導(dǎo)致附近的可燃元件著火。

易熔電阻器的主要優(yōu)點(diǎn)是其電阻限制了浪涌電流。作為電源或充電器中主要過電流元件的易熔電阻器，其電阻可達(dá)10Ω。相比之下，熔斷器的電阻可以從毫歐姆到幾百毫歐姆不等。設(shè)計(jì)人員可以將熔斷器與NTC熱敏電阻結(jié)合起來，以防止過電流并限制浪涌電流。NTC熱敏電阻器的電阻最初可以高達(dá)10或20Ω；但是，在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，它會(huì)降到幾十毫歐姆的范圍內(nèi)。

與單獨(dú)的熔斷器和熱敏電阻器相比，易熔電阻器似乎可以節(jié)省空間；但是，易熔電阻器產(chǎn)生的熱量可能會(huì)迫使元件與額定功率高達(dá)10 W的易熔電阻器保持至少半英寸的距離，而與額定功率超過10 W的易熔電阻器保持1英寸的距離。當(dāng)充電器和電源必須安裝在狹小的空間內(nèi)時(shí)，與易熔電阻器相關(guān)的元件間距可能會(huì)出現(xiàn)問題。

效率標(biāo)準(zhǔn)

最小平均效率（標(biāo)準(zhǔn)電壓，》1W）

外部電源（EPS）輸出功率（W）

2007年至2018年間的政府電源效率標(biāo)準(zhǔn)。

電源或充電器設(shè)計(jì)人員面臨的最困難挑戰(zhàn)可能是強(qiáng)制性的效率標(biāo)準(zhǔn)。這些年來，諸如能源之星（Energy Star）和生態(tài)設(shè)計(jì)指令2009/125/EC（Directive 2009/125 / EC Ecodesign）的效率標(biāo)準(zhǔn)變得越來越苛刻。 電源或充電器的功率輸出越高，規(guī)定的效率就越高。 三種廣泛使用的功率輸出級(jí)別的效率要求是：

60瓦電源和充電器的效率必須達(dá)到89％

25-W電源的效率必須達(dá)到86%

5-W電源的效率可以低于80%。

易熔電阻器的電阻大大超過了熔斷器的電阻，因而影響了電源效率。例如，考慮額定功率為25 W的電源。其所需效率為86％。 電源的輸入功率為29 W（25 W / 0.86）。 因此，電源消耗的損耗估算為4W。電路中一個(gè)10Ω的易熔電阻器可消耗0.59 W（I2R = （29 W/120 V）2 x 10 Ω），相當(dāng)于損耗預(yù)算的14%。這樣就留給有源元件（例如功率晶體管）功率損耗的空間更小了。具有毫歐級(jí)電阻的熔斷器會(huì)消耗微不足道的損耗預(yù)算，從而使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)完整電路時(shí)擁有更大的自由度。

通過熔斷器+ NTC熱敏電阻進(jìn)行保護(hù)

通過易熔電阻器

上圖是電源/充電器電路的示例，該電路使用熔斷器進(jìn)行過流保護(hù)，并使用NTC熱敏電阻器來限制浪涌電流。 下圖，同一電路帶有一個(gè)易熔電阻器，用于過流保護(hù)和限制浪涌電流。

熔斷器和易熔電阻器具有不同的過電流和溫升標(biāo)準(zhǔn)。 設(shè)計(jì)人員必須了解適用于每種器件的標(biāo)準(zhǔn)。 評(píng)估北美市場(chǎng)的熔斷器是否符合UL / CSA / ANCE標(biāo)準(zhǔn)248-1和248-14的要求。 對(duì)于歐洲和國際市場(chǎng)，熔斷器均按照IEC標(biāo)準(zhǔn)60127-1和IEC標(biāo)準(zhǔn)60127-2，-3，-4或-7進(jìn)行評(píng)估。

易熔電阻器有不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于北美，易熔電阻器必須符合UL 1412（其中的元件稱為易熔電阻器）和CSA標(biāo)準(zhǔn)C22.2 No.60065-03。對(duì)于歐洲和國際市場(chǎng)，易熔電阻器必須符合IEC 60127-8（其中該元件被稱為易熔電阻器）。

廣泛用于過流保護(hù)的熔斷器包括：額定電壓為300V的8.5×4毫米369系列徑向引線熔斷器（上圖），延時(shí)和在210％過載時(shí)最大斷開時(shí)間為120秒。（中間）額定電壓為250V的10×3毫米443系列表面貼裝熔斷器，慢熔，在250%過載時(shí)最大斷開時(shí)間為120秒；（下圖）20×5毫米219XA系列玻璃管熔斷器，額定電壓為250V，具有慢熔特性，在210％過載時(shí)的最大斷開時(shí)間為120秒。

關(guān)于允許的溫升的要求，熔斷器的標(biāo)準(zhǔn)非常具體。 基于北美標(biāo)準(zhǔn)UL / CSA / ANCE 248-1和248-14的熔斷器在溫度測(cè)試過程中的最高溫升可達(dá)75°C。 該測(cè)試在室溫（通常為25°C）下進(jìn)行。 因此，熔斷器最高溫度為100°C，并且在測(cè)試期間必須保持完好。

對(duì)于易熔電阻器，UL 1412并未定義最大溫升。 而是通過逐漸增加通過元件的電流直到其斷開進(jìn)行測(cè)試。粗棉布要么圍繞著易熔電阻器，要么放在離元件一定距離的地方。通過的標(biāo)準(zhǔn)是粗棉布不會(huì)著火。粗棉布由棉花制成，其點(diǎn)火溫度約為400°C。 因此，易熔電阻器的標(biāo)準(zhǔn)允許元件在比熔斷器更高的溫度下工作。

推薦用途

熔斷器必須符合更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，因此，作為過流保護(hù)元件，熔斷器的性能要比易熔電阻器好得多。 由于易熔電阻器可能沒有足夠的間距而成為點(diǎn)火源，因此它們最適合用于功率較低的電源和充電器，它們的過電流和溫升可能較小。 易熔電阻器通常為功率不超過15 W的電源和充電器提供適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。更高功率的器件通常最好用熔斷器或熔斷器和NTC熱敏電阻的組合。