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FUSE选型

fuse的选型说难不难,说简单也不简单,总共大概会涉及到10个方面。有些比较简单,可能要不了1min就行了;有些则比较麻烦,需要查一些数据和图表,做一些计算才能得出结论。OK,那么就请跟着我一点点来吧!
1. fuse额定电流的选取
通常在25℃的环境温度下(Ta=25℃),fuse的额定电流需要降额25%来使用,以尽量避免过热、误熔断等问题的发生。例:额定电流10A的fuse,在Ta=25℃时,经过fuse的电流不应超过10×0.75=7.5A针对这一点,很多朋友会问why?这么做有没有什么依据?我查询了一些资料,最有说服力的应该是UL安规认证里的下面这段话:

其大致的意思是一样的,在25℃的环境温度下,建议经过fuse的电流不要大于fuse额定电流的75%,UL会以此作为fuse认证时候的测试条件。

这里岔开说一点,在另一个fuse的安规认证IEC中,我并没有找到类似的描述,所以理论上来说符合IEC认证的fuse是可以工作在100%额定电流下的。但我个人还是强烈建议按照UL的标准做25%的降额,理由很简单,因为更小的电流意味着fuse的发热更少,温度更低,这对fuse的寿命和可靠性会有比较大的好处。

2. fuse额定电压的选取

fuse的额定电压必须大于或等于电路中的最大工作电压。- AC交流电路,请选择AC fuse- DC直流电路,请选择DC fuse- AC/DC交直流电路,请选择AC/DC fuse不建议AC fuse和DC fuse混用。比如AC交流电路中使用DC fuse;或者在DC直流电路中使用AC fuse,这主要和fuse的分断能力这个参数有关,后面会细说。另外,再多说一点,AC电压是可以换算成DC电压的。例:Vrms=220VAC, Vpeak=220x√2=311VDC。所以,你也可以选择额定电压≥311VDC的fuse用在220VAC的交流电路中。当然,实际上我们很少会这么做,因为从成本的角度考虑这并不划算。还有一个很多朋友会有疑问的点是,fuse为什么需要考虑电压?它正常工作的时候不是相当于短路嘛?那两端几乎没什么电压啊?Yes,you are right!但是,你忽略了fuse断开时的情况。fuse的熔断是物理上的断开,此时电路中的所有电压都会加在fuse的两端,所以fuse需要能安全地承受这个电压,这也就是fuse额定电压的意义。

3. 环境温度(Ta)对fuse选型的影响
fuse是温度敏感性器件,所以fuse的额定电流需要根据Ta来做降额处理。在所有fuse的规格书中,你都能找到如下的温度降额曲线,X轴是环境温度Ta,Y轴是降额系数derating。如下这个例子中A,B,C是3颗不同的fuse,在Ta=60℃时,可以得到不同的derating:

– A fuse:85%

– B fuse:97%

– C fuse:65%

注意,这里的derating针对的是fuse的额定电流。

那么到这里,我们就可以给出fuse额定电流选型的计算方法:

fuse的额定电流 = 正常工作电流/0.75/derating

假设电路中的正常工作电流为10A, Ta=60℃,让我们来试着计算一下A,B,C这3颗不同的fuse,分别需要选择多大的额定电流才合适呢?

– A fuse = 10/0.75/0.85 = 15.68A,可选额定16A的fuse

– B fuse = 10/0.75/0.97 = 13.74A,可选额定15A的fuse

– C fuse = 10/0.75/0.65 = 20.51A,可选额定20A的fuse

细心的朋友可能已经发现,fuse的derating曲线越是陡峭,需要选择的额定电流就越大;反之,fuse的derating曲线越是平缓,需要选择的额定电流就越小。这其实可以从一个侧面反映出fuse的好坏,一般来说我们都会建议选择温度降额比较小的fuse,因为那意味着它的性能更稳定,不易受外界温度的影响。

4. fuse的过流保护(即时间-电流曲线)

fuse的过流保护能力主要参考的是下述时间-电流曲线,即T-C curve

X轴表示电流;Y轴表示熔断时间

假设故障电流是100A,在X轴找到100A, 画一条垂直于Y轴的线,会和三条T-C curve有三个交点,交点水平移动到Y轴可以分别得到三个时间。这三个时间就是这三颗fuse在同样100A的条件下分别对应的熔断时间。

(1) 606040(40A fuse) ->熔断时间:4.5s

(2) 606050(50A fuse) -> 熔断时间:25s

(3) 606063(63A fuse) ->熔断时间:150s

可以看出,额定电流越大的fuse,在相同电流的条件下,熔断时间越长。工程师在设计阶段,可以通过T-C curve来大致估计fuse在不同故障电流下的熔断时间;也可以比较两颗不同的fuse在相同故障电流下的熔断时间。这些都可以帮助他们来做更好的设计和选型。当然需要注意的一点是,厂家提供的T-C curve一般都是室温(25℃)下的平均数据,所以在实际使用中,需要根据不同的环境来考虑一些降额。(另外,上图中还有一条蓝色的40A的线,它和三条T-C curve都没有交点,这表示在40A的条件下,这三颗fuse在10000s的时间内都不会熔断)

最后,再多说一点关于fuse的快断和慢断的问题。

首先,只有IEC 60127这个标准里,对fuse是有明确的非常快断、快断、慢断、非常慢断的定义。如下表:

那么也就是说,fuse需要按照这个标准来测试,才会有快断,慢断的区分。但这个标准并不适用于所有的fuse,或者说很多fuse都是在这个标准对象外的,这样的话也就无法明确定义fuse的快断或者慢断了。所以,现在你会看到越来越多的fuse不会在datasheet里做快断或者慢断的定义,取而代之的是给你I^2t的参数以及T-C curve,让你自己来评估熔断时间,看是否能够满足设计要求。这种做法其实更贴近实际应用也更合理。

5. fuse的最大允许故障电流(即fuse的分断能力)
Interrupting Rating = I.R.

Breaking Capacity= B.C.

上述两个词组都有可能会出现在fuse的datasheet中,意思都一样,表示fuse的分断能力。

 

选型的标准是,电路中的最大故障电流(或者说短路电流)必须小于fuse的分断能力。这是一项安规测试,用来表示fuse在某一电压下能安全分断的最大电流,安全指的是不起火、不冒烟、不爆炸。

需要注意以下几点:

(1)分断能力会随着电压的改变而改变,datasheet中给出的一般都是fuse最大工作电压下的分断能力。如需其他电压下的分断能力,则需要重新评估。一般来说,对于同一颗fuse,电压和分断能力成反比,即电压越高分断能力越小;电压越低分断能力越大。

(2)AC和DC电压下的分断能力会有比较大的差异,一般来说,AC的分断能力会远大于DC的分断能力。原因是AC电压有过零点,这会有助于fuse熔断时候的灭弧,而DC电压则没有。参考下图:

IR =50kA@500VAC vs IR = 20kA@500VDC

(3)一般来说,fuse的尺寸和分断能力成正比,即尺寸越大分断能力越大;尺寸越小分断能力越小。(参考下图)

6. 脉冲电流(pulse)对fuse选型的影响
首先,不是所有应用都会有pulse,如果没有那就不用考虑这点。通常开关电源的启动,雷击浪涌测试,电机的启停,热插拔等都会有明显的pulse,所以在fuse选型的时候必须要考虑这一点。选型的标准是计算pulse的I^2t,然后和fuse datasheet中的I^2t做比较。pulse的波形形形色色,各种各样,但基本上都可以归类为下图中A~F的6种波形。为了方便计算,下图也给出了不同波形计算I^2t的公式,需要知道的参数是电流的峰值Ip,pulse的持续时间t。

大部分情况下,“E”是最常见的pulse波形,所以我们经常会用下面这个公式来计算:

看下面这个实际的例子,pulse波形非常接近“E”, Ip=8.0A, t=0.004s

pulse I^2t =1/5 x 8^2 x 0.004 = 0.0512A^2s

结束了?别急还没完!fuse每次承受pulse冲击的时候是会产生损耗的,这是物理特性所决定的,没有办法。所以我们还需要考虑pulse次数的问题。下图给出的是pulse次数和pulse I^2t/fuse I^2t之间的关系。

这里我们考虑最严苛的100,000 pulse的次数, 那么

fusefuseI^2t=pulseI^2t/0.22=0.0512/0.22=0.2327A^2s

所以我们需要选择I^2t > 0.2327A^2s的fuse,才能避免其被pulse产生的能量所熔断。当然,考虑到产品的公差以及环境温度等因素,在实际选型中往往会考虑更多的余量。比如这个例子中,如果再额外考虑50%的余量,那么I^2t > 0.2327/0.5 = 0.4654A^2s

让我们来对比下面两颗fuse A和fuse B的datasheet参数

FuseA:32VDC/2.5A/IR=50A, I^2t=0.1560A^2s<0.4654A^2s

FuseB:32VDC/2.5A/IR=50A, I^2t=0.65A^2s>0.4654A^2s

可以看到,两者除了I^2t其余参数都是相同的,而在这个例子中fuse B显然是更好的选择,因为他的I^2t大于我们刚才计算得到的0.4654A^2s

7. fuse的物理尺寸
fuse如果按照物理尺寸来分类的话,有非常非常多的种类,这里举两个比较常见的例子抛砖引玉吧!(1)Cartridge fuse(管状保险丝)以管径 x 长度(mm)的方式来命名,其中2AG,3AG,5AG是比较常见的尺寸

(2)SMT fuse(贴片保险丝)

0402,0603,1206,2410 这些是和贴片电阻,电容相同的封装,一般电流较小(<10A)如下图:

10.1×3.12×3.12(mm),12.1×4.5×4.5(mm),10x10x6(mm)这些是比较特殊的大尺寸SMT fuse,一般电流较大(>10A),如下图:

8. fuse的安规认证
全球主要的fuse安规认证有UL 248和IEC/EN 60127这两个,UL 248是北美地区的标准,主要用于美国和加拿大;IEC/EN 60127是国际电工委员会的标准,主要用于欧洲。其他国家和地区的标准大部分都会延用或者参考这两个标准。UL 自己制定认证标准,同时也自己颁发证书。

IEC/EN 仅仅制定认证标准,不自己颁发证书,而是由欧洲各个国家的认证机构来颁发其相应的证书。如比较常见的TUV、VDE。

下面两张图展示了全球不同地区和国家的标准、安规以及符号,供大家参考。(图片来源于Littelfuse)

 

 

9. fuse的安装方式
不同尺寸和形状的fuse有不同的安装方式,下面举几个比较典型的例子吧!Cartridge管状:需要配合底座,夹子,盒子等配件来使用

Axial lead轴向引线:需要对引线进行整形后再使用

THT通孔直插:PCB通孔焊接

Bolt down螺栓固定:需要配合螺丝和底座来进行安装和固定

SMT贴片:PCB表贴焊接

10. fuse的配件(底座,架子,盒子等)
fuse配件的主要目的是为了方便fuse的安装和更换,同时也可以起到对fuse的固定和保护等作用。下图举了三个比较常见的例子:holder:fuse安装在holder内部,是一种全封闭的形式。隔绝了外界环境对fuse的影响,可以做到防尘防水。一般用于一些大型设备和机柜等。block:block本身是可以合并在一起的,所以比较适合于一些需要电流分配的应用。clip:小巧、便宜,通孔焊接在PCB上后放入fuse即可,也方便更换。
OK, 至此终于写完了,感谢看到最后的你,谢谢!