安全標準通常規定了什么元件能提供最好的過電流保護

Todd Philips， Saad Lambaz – Littelfuse公司

大多數人可能會認為為手機，游戲機或平板電腦充電需要花費的時間既不方便又麻煩。快速充電需要功能更強大的充電器或電源。 這種電源的設計要求設計人員在強調設備安全性的同時，還要滿足更為嚴格的成本，尺寸和效率約束。

隨著功率水平的提高，對過電流保護的需求也隨之增加。 通常有兩種不同的過電流保護方法：常規熔斷器或易熔電阻器。 易熔電阻器的優點是將過電流保護和浪涌電流保護結合在一個元件中。 但是，易熔電阻對過電流的響應不同，會影響充電器和電源的效率。

過電流保護方法比較

熔斷器和易熔電阻器的比較

上圖，在標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。 點擊放大圖片。

當超過其額定電流時，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低，這使得電阻器在整個溫度范圍內都具有穩定的電阻。 在過流條件下，1，400°C的熔化溫度會加熱周圍的元件和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，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到其熔點。 熔斷器將防止易熔電阻器出現過流情況時發生的熱量積聚。 易熔電阻器產生的較高熱量會損壞其它元件，并有可能導致附近的可燃元件著火。

易熔電阻器的主要優點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。設計人員可以將熔斷器與NTC熱敏電阻結合起來，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10或20Ω；但是，在穩態工作時，它會降到幾十毫歐姆的范圍內。

與單獨的熔斷器和熱敏電阻器相比，易熔電阻器似乎可以節省空間；但是，易熔電阻器產生的熱量可能會迫使元件與額定功率高達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。當充電器和電源必須安裝在狹小的空間內時，與易熔電阻器相關的元件間距可能會出現問題。

效率標準

最小平均效率（標準電壓，》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準。

電源或充電器設計人員面臨的最困難挑戰可能是強制性的效率標準。這些年來，諸如能源之星（Energy Star）和生態設計指令2009/125/EC（Directive 2009/125 / EC Ecodesign）的效率標準變得越來越苛刻。 電源或充電器的功率輸出越高，規定的效率就越高。 三種廣泛使用的功率輸出級別的效率要求是：

60瓦電源和充電器的效率必須達到89％

25-W電源的效率必須達到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10Ω的易熔電阻器可消耗0.59 W（I2R = （29 W/120 V）2 x 10 Ω），相當于損耗預算的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。具有毫歐級電阻的熔斷器會消耗微不足道的損耗預算，從而使設計人員在開發完整電路時擁有更大的自由度。

通過熔斷器+ NTC熱敏電阻進行保護

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行過流保護，并使用NTC熱敏電阻器來限制浪涌電流。 下圖，同一電路帶有一個易熔電阻器，用于過流保護和限制浪涌電流。

熔斷器和易熔電阻器具有不同的過電流和溫升標準。 設計人員必須了解適用于每種器件的標準。 評估北美市場的熔斷器是否符合UL / CSA / ANCE標準248-1和248-14的要求。 對于歐洲和國際市場，熔斷器均按照IEC標準60127-1和IEC標準60127-2，-3，-4或-7進行評估。

易熔電阻器有不同的行業標準。對于北美，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標準C22.2 No.60065-03。對于歐洲和國際市場，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），延時和在210％過載時最大斷開時間為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%過載時最大斷開時間為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％過載時的最大斷開時間為120秒。

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

對于易熔電阻器，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行測試。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。通過的標準是粗棉布不會著火。粗棉布由棉花制成，其點火溫度約為400°C。 因此，易熔電阻器的標準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格的標準，因此，作為過流保護元件，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的過電流保護。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。