使用 SMD 保險絲簡化佈局、縮減產品尺寸並增進強固性

熱熔絲是最古老的電路防護裝置，而且目前仍廣泛使用。此產品不僅已有深入瞭解，且表現可靠一致，更通過法規標準的許可。然而，最終產品的複雜度不斷增加，尺寸也跟著縮減，因此設計人員為了縮小尺寸、簡化組裝、提升強固性並進一步增強安全性，必須針對使用者可替換的保險絲及保險絲座尋找替代品。

但其實設計人員可使用表面黏著元件 (SMD)，就不用犧牲效能。SMD 保險絲採用截然不同的技術，不僅可提供熱熔斷效果，更有完整必要的保險絲特性，例如快熔與慢熔。

本文將快速說明熔斷、電路防護及設計時的考量。接著會介紹並說明 Bourns 的 SMD 保險絲，包括其主要特性及其應用方式。

基本保險絲就可持久運作

傳統的保險絲採用熱熔鏈，歷史已經有 150 年之久，是最廣為人知且最直接的電路防護裝置類型。不僅可靠且容易理解，更具備效能一致性，盡力展現其過電流防護的唯一功能。其運作方式是在電流位準超出保險絲設計容量時，將電路路徑確實開啟且不可回復，進而中斷電流的流動。

傳統保險絲有多種線路圖符號可表示，視繪圖標準而定，且其中含有金屬線，在設計、尺寸及材料上都經過精密工程 (圖 1)。穿過此可熔鏈的電流若超過預設限值達足夠的時間，此鏈結就會因為自體發熱而熔斷。會自體發熱是電阻性 I²R 功率損耗的直接結果，起因在於電流通過鏈結的電阻。

圖 1：保險絲有多種線路圖符號可擇一表示，視繪圖標準而定。(圖片來源： ClipArtKey.com)

保險絲可提供多種封裝類型，例如眾所周知的 3AG 樣式小型玻璃管，其直徑為 ¼ 英寸，長度則為 1¼ 英寸。廠商都有針對各個保險絲提供電流額定值與詳細的圖解，說明過電流值以及過電流多久時間保險絲元件才會熔斷，因此可趁此之前停止電流通過保險絲。而這稱為 I²t 額定值，代表電流所產生的可用熱能，以安培²秒 (A²s) 為單位。

保險絲並非設計人員使用的唯一電路防護。還有其他被動裝置，可提供其他型式的防護，例如將電流或電壓的過多激增加以限制、阻擋、分流或「消弧」。但這些都無法像保險絲一樣，可提供明確的切斷及不可逆的電流截止。這些都無法取代保險絲的功能，但可在保險絲無法適度發揮保護作用時加以利用，或在技術可行時用來輔助保險絲的作用。其他常見的電路防護裝置包括：

• 金氧變阻器 (MOV)
• 正溫度係數 (PTC) 熱敏電阻
• 暫態電壓抑制器 (TVS) 二極體
• 氣體放電管 (GDT)
• 聚合物 PTC 自復式保險絲

如同保險絲，這些裝置皆可提供電路防護，但最基本的電路斷開可熔鏈仍在眾多設計中常保一席之地並發揮作用，這是因為其特性組合，包括表現一致、直接做動以及不可逆。

可替換的可熔鏈之外

熱保險絲若搭配適當的保險絲座或插槽，通常視為可現場替換的單元。即便如此，讓使用者在現場替換通常並非必要的要求，對許多產品來說甚至是不樂見。對於較低功率的產品來說就是如此，例如行動電話、機上盒、小型電池充電器、AC/DC 壁式配接器及玩具；中階裝置包括電動工具、工業控制器及消費性發電機；甚至較高功率的系統，例如電動車 (EV) 充電器。試想以下情況：

• 可能需要不同額定值的保險絲來保護較大型電路的不同子電路，包括有敏感訊號路徑的電路，而非保護整個產品。
• 使用保險絲的單元可能是小型的密封式產品，例如智慧型手機需要保險絲，主要是用來保護電池及其充電電路。此外，使用者也無法接觸到手機內部。
• 從安全觀點來看，除非已經知道保險絲熔斷的實際原因，例如技工不慎碰觸電軌，並將其連接到汽車底盤，否則單純為了方便行事而更換保險絲，說好聽就是浪費時間，說難聽則是冒險行事。舉例來說，若保險絲屬於鋰電池防護電路及其充電電路的一部份，保險絲則在此功能上身負重任。因此，有必要找出保險絲「熔斷」的根本原因，不能不明就裡地替換而已。
• 保險絲座及其觸點也有可靠性的疑慮，因為會受到腐蝕、振動及其他工作環境因素的影響。
• 最後，尺寸也是一個問題：保險絲若使用焊接定位而非使用保險絲座，在 PC 板上的覆蓋區較小且厚度較薄。

為了實作小型免保險絲座的 SMD 保險絲，並使用標準板佈局與焊接設備，有必要跳脫傳統保險絲及其電線般的可熔鏈，同時也要保留自體發熱原則，以便熔斷進而開啟電流路徑。

有多種 SMD 保險絲皆可克服現代化設計的難題

在眾多材料、技術、配方及製程的搭配下，Bourns 開發出一系列 SMD 保險絲，可提供以熱為基礎的保險絲功能，同時涵蓋多種電流與工作電壓。Bourns 的 SinglFuse SMD 保險絲產品組合採用七種不同的保險絲結構技術：薄膜濺鍍、薄膜 PC 板、陶瓷積層、陶瓷腔層疊、線芯、陶瓷管、陶瓷體 (圖 2)。

圖 2：SinglFuse 系列單純由 SMD 保險絲組成，但涵蓋多種電流與電壓組合，因此需要使用七種不同的保險絲技術達成。(圖片來源： Bourns)

這些技術與結構作法促成 SinglFuse 產品組成的多樣性，因此可提供涵蓋關鍵參數的眾多規格保險絲，例如額定電流、額定電壓、斷流能力、I²t 及工作溫度等參數。此外，SinglFuse 產品皆符合 UL、TUV 及 VDE 規範，並符合 UL 248 及 IEC 60127 標準，因此可簡化整體產品認證的流程。對於汽車應用來說，若必須在寬廣的溫度範圍內達到完整規格及可靠的操作、其中某項汽車標準有所規定，或要用於其他嚴峻工作環境的話，則有提供符合 AEC-Q200 標準的保險絲。

SMD 尺寸雖小，能力卻不受限

在有些情況下，特別是在 SMD 封裝中，較小型元件的先天條件會對其特點或能力施加限制。但 SinglFuse 裝置並非如此，其提供的封裝尺寸從幾乎看不到且較低電流範圍的 0402 (0.040 x 0.020 in; 1.0 x 0.5 mm)，一直到適用於較高容量保險絲的 3812 (0.150 x 0.100 in; 3.81 x 2.54 mm)，都屬於相當小巧的尺寸。

多年來，保險絲廠商為了滿足電路需求，紛紛開發特殊款式並搭配獨特的屬性的可熔鏈裝置。有鑑於此，SinglFuse 裝置提供多種反應特性，包括：

• 快熔
• 快熔精密型：對關鍵規格的容差更嚴格
• 慢熔：可處理超出保險絲電流額定值的暫時突波電流
• 時滯：在實際熔斷前允許短暫的電氣突波
• 高湧入電流：可因應超限的啟動電流

請注意，這些不同保險絲款式的電流與時間曲線細節，請參照個別的規格書，且設計人員應詳讀，以找到最適合應用的款式。

電流額定值極限展現效能範圍

設計人員可在多種標稱電流值範圍內使用 SMD 保險絲。舉例而言，SF-2410FP0062T-2 快熔精密型 SMD 保險絲裝在陶瓷管中，採用 EIA 2410 (公制 6125) 覆蓋區，尺寸約為 6 mm 長，矩形端則為 2.1 x 2.6 mm (圖 3)。

圖 3：Bourns 的 SF-2410FP0062T-2 屬於快熔精密型 SMD 保險絲，採用矩形封裝。(圖片來源：Bourns)

此保險絲可用於 125 V AV/DC 操作，具有 62 mA 標稱額定值，典型 I²t 額定值為 0.0012 A²s。頂尖規格總歸來說，就是可在 200% 額定電流下於 5 秒內開啟，但使用者應研究其效能圖表，進而量化弧前時間 (圖 4) 及 I²t 額定值 (圖 5)，因為這都是保險絲反應時間的重要指標。設計人員應注意，當保險絲在其電流額定值內工作時，因為電阻約為 6 Ω，因此會有 IR 壓降；此壓降最大應低於 40 mV。

圖 4：SF-2410FP0062T-2 的規格書詳述保險絲從超低電流到標稱最大值時的弧前時間，此參數可定義保險絲的反應與電流曲線之間的關係。(圖片來源：Bourns)

圖 5：SF-2410FP0062T-2 的規格書也有顯示在不同電流位準下，累積熱能的關鍵 I²t 曲線。(圖片來源：Bourns)

SF-1206S700 慢熔型保險絲則展現相當不同的範圍與效能曲線 (圖 6)，此 7 A 裝置會在最大額定電流的 250% 下於 5 秒內開啟。

圖 6：SF-1206S700 慢熔型表面黏著保險絲隸屬於 Bourns 的 SF-1206S 系列，此 7 A 裝置會在最大額定電流的 250% 下於 5 秒內開啟 (圖片來源：Bourns)

SF-1206S700 採用的封裝與技術與 SF-2410FP-T 不同的，其使用 3212 (EIA 1206，1.55 x 3.1 mm) 扁平封裝，因為採用薄膜結構，因此高度僅有 0.6 mm (圖 7)。電阻值僅有 7 mΩ，可確保在最大電流時，只有低於 50 mV 的低 IR 壓降。

圖 7：從 SF-1206S700 慢熔型 SMD 保險絲的剖視圖，可窺見此裝置製造時所用的複雜材料與技術。(圖片來源：Bourns)

此保險絲的規格書圖表與 SF-2410FP-T 62 mA 保險絲的圖表類似，但因為是慢熔型保險絲，因此也需要「I²t 降額曲線與持續湧浪電流關係」曲線圖，進而定義慢熔型保險絲在持續完全開／關電路操作下的效能 (圖 8)。

圖 8：慢熔型保險絲通常會遭受持續高湧入電流循環，因此 SF-1206S700 規格書有清楚指明這些循環對保險絲行為的影響。(圖片來源：Bourns)

這對設計人員來說相當實用，以便實際評估保險絲在不同類型、額定值與尺寸下的差異，但要實作仍有一定的難度。保險絲並不像主動元件 (如運算放大器) 或被動元件 (電阻、電感、電容)，而是一次性裝置，因此若要完整測試，僅能持續推進到有效自我摧毀為止。也因此，若實際評估時能有備妥多種不同的保險絲數值與類型會更實用。

為了加速此流程，Bourns 提供 SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab 套件，可快速進行原型測試 (圖 9)。其中含有 18 種慢熔型保險絲各 5 件 (共 90 件)，保險絲尺寸提供 0402、0603 與 1206 (公制 1608 至 3216)；類似的 SF-FP-LAB1 套件則有 160 件快熔精密型保險絲 (32 種值各 5 件)，提供 0402 至 1206 (公制 1005 至 3216) 封裝。

圖 9：因為測試時通常會將保險絲推向自我摧毀，SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab 等慢熔型保險絲的設計套件，可在設計人員評估尺寸、安裝、熱能、效能及其他問題時，簡化其評估工作。(圖片來源：Bourns)

結論

儘管概念上簡單，但熱保險絲其實是複雜的被動電氣與機械元件，並且經過先進的熱能、材料與結構考量製成。隨著電路與產品逐漸縮小，要讓使用者自行替換保險絲越來越不切實際、不明智甚至會有危險，也因此催生表面黏著 (SMD) 保險絲的需求，且其處理方法就像其他 SMD 裝置一樣。除此之外，SMD 保險絲可簡化組裝與製造流程，並可降低設計對振動及腐蝕的易感性。

如本文所述，Bourns 的 SinglFuse 系列 SMD 保險絲能提供設計人員多種過電流防護範圍與類型，藉此滿足現今產品與 PC 板製程的需求。

進階閱讀：

1. SinglFuse SMD 保險絲教學
2. Bourns 的 SinglFuse SMD 保險絲
3. Bourns 快熔精密型與時滯型 SinglFuse SMD 保險絲設計套件

參考資料

1. IEEE 2007 年第八屆電子保險絲與應用國際會議「保險絲起源」