电路设计：正确选择合适的熔丝

中心议题：

●熔丝电路工作条件

●熔丝额定电流和环境温度

●熔丝时间-电流特性

解决方案：

●熔丝也会随温度的变化而降低额定值

●较高的环境温度会影响器件厂商的规定时间与电流特性之间的关系

●有感性负载的电路中（电感低于0.9pF）使用断路容量较高的熔丝

一般而言，电路保护器件通常在电路设计中扮演着最不起眼的角色：人们通常都是在完成设计之后才想起它们，而且对其琐碎的电气特征不胜其烦。但是，我们目前在电路设计的早期阶段就必须开始考虑电路设计与选择合适的保护器件之间的关系，并且在整个设计过程中都要仔细处理这一问题。

因此，设计者不但要了解各种类型的器件，精通这些器件所具备的不同功能，并且要能够选择出最适合于某个应用的器件。选择合适的熔丝要确保不影响正常的设备功能，降低设备失效而导致的昂贵维护开销。电路熔丝能够保护设备的安全，更重要的是，保护用户的安全。

设计者必须在设计的早期阶段仔细考虑如何选择合适的熔丝，并且要在整个设计过程中处理好这一问题。

电路工作条件

要想选择合适的熔丝，我们首先必须搞清楚熔丝所供电和保护的电路的本质特征。必须定义好一些基本的工作参数，例如最大稳态电压、电流值和环境温度等。此外，我们还有必要掌握可能出现的浪涌电流的峰值以及持续时间/波形。

额定电流和环境温度

与大多数电子元件一样，熔丝也会随温度的变化而降低额定值。例如，原本在室温下只需使用1A大小延时熔丝的电路，在60℃下必须使用1.25A大小的熔丝，以保证电路能够在较高温度下正常工作（如图1所示）。

图1图中的下降曲线是中等延时型（T）和快速响应型（F）熔丝的普通曲线

对于每种熔丝要参考制造商提供的产品详细曲线说明。值得注意的是，熔丝本身有电阻，因此会产生电压降和功耗。时滞型熔丝相比同样额定值的快速响应熔丝通常具有较低的电压降和功耗。

例如，一个额定电流为2A规格为5mm×20mm的延时型熔丝一般具有60mV的电压降，但是快速响应型熔丝的电压降达到了90mV。这是由于时滞型熔丝具有较厚的熔丝线直径，从而导致在熔化熔丝时需要更高的I2t值（即功耗）。此外，这种熔丝是镀锡的。这意味着在正常工作状态下，快速响应型熔丝在断开前将会被加热到较高的温度。

熔丝位置

熔丝在电路中的位置也是防止不必要热量积聚的重要因素。熔丝周围其他器件的类型及其与熔丝的靠近程度都会影响局部温度。

较高的温度会影响器件厂商的规定时间与电流特性之间的关系。注意，某些会直接使熔丝退热的方法，例如增大焊料盘、散热器、风扇等，都可能改变其原本的性能参数特性。

断路容量

断路容量是指熔丝可以安全熔断的最大故障电流。如果在故障电流超过断路容量的情况下使用熔丝，就会引起电路起火或者更极端的爆炸后果。

例如，不能将一种断路容量为35A的熔丝用于电源电流最坏超过35A的场合，但是对于故障电流不超过35A的场合却能够起到充分的电路保护作用。根据预定的参数，保险介质决定了可承受的断路容量极限值。

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根据一般经验，在带有感性负载的电路中（电感低于0.9pF）最好使用断路容量较高的熔丝，而在只有电阻/电容性负载的电路中一般使用低断路容量的熔丝就足够了。

设备的实际功率因数会影响器件厂商标称的额定值。某些厂商还另外提供了不同功率因数下的断路容量额定值，以进一步帮助用户构建合适的产品。

时间-电流特性

在某些应用中，当电路达到某一极限时熔丝就会熔断，这种需求是很容易理解的。例如，灵敏半导体电路通常需要能够在极短时间内熔断的快速响应型熔丝，而具有较大启动电流的设备则需要采用延时型熔丝，以防止不必要的停机问题。

在两种类型的熔丝都可以使用的情况下，我们最好再回过头来分析一下环境温度的影响，然后再做决定。注意，延时型熔丝一般比快速响应型熔丝具有较低的电压降，因此也具有较低的功耗。适度过电流下(12.5In)的熔断时间也几乎是这种情况（参见图2）。在较大过电流下（1=10.0In），延时型熔丝比快速响应型熔丝具有更长的熔断时间。

图2在适度大小的过电流下快速响应型和延时型熔丝基本上具有相同的熔断时间

计算熔断能量

I2t是衡量熔丝熔断所需能量的一个指标。熔丝熔断所需的近似时间长度可以用器件厂商所给的I2t值除以预期故障电流的平方得到。

例如，对于I2t=4.5A2s的熔丝，预期故障电流是13A，那么：

ttyp=I2t/I2=4.5A2s/(1.25A×10)2=28.8ms

反过来，如果已知预期故障电流并且确定了希望熔丝熔断的时间，那么就可以算出所需熔丝的I2t值。一旦得出I2t值，就很容易根据某种熔丝的性能指标判断其是否能够满足用户的需求。

备选产品类型

IEC标准涵盖了各种设备所用微型熔丝的不同尺寸和封装类型，包括5mm×20mm的筒型熔丝到1206SMD型。不同的端接头包括抽头式、通孔式和SMD式，器件包装有散装的或者带盘式包装的，通常用于芯片熔丝。

IEC标准和UL标准之间有一些独特的差异，用户在选择熔丝时必须根据国内或国外市场考虑其是否兼容这两种标准。虽然看起来似乎都是1A的熔丝，但是UL标准和IEC标准的熔丝可能无法互换使用。它们的时间电流特性是不同的，当工作在1A电流下时UL标准的熔丝可能熔断，而按照IEC标准设计的熔丝却根本不会在1A下熔断，可能要选择2A大小的熔丝。

进行最后的选择

当确定熔丝的额定电压和电流、断路容量、时间-电流特性和I2t值，并且确定了所需的包装类型之后，那么我们就可以最终判断候选的熔丝是否满足设计要求。如果要将熔丝安装在保险丝盒中，那么还必须判断保险丝盒与熔丝的功耗限制情况。
选择合适的保险丝盒

有些熔丝需要安装在保险丝盒内以便于更换。保险丝盒还具有其他一些重要的电气特性：接触电阻和最大的可容许熔丝功耗。

值得注意的是，保险丝盒与熔丝一样在较高温度下会降低额定值。保险丝盒有多种可选样式，有的可以安装在设备面板上，其中的熔丝需要用户来更换，也有夹片式或模块式，可以安装在机架上或设备内部的PCB上。

这两种类型的保险丝盒都有快速连接接头或者PCB接头，PCB类型有通孔式或SMD连接式。PCB保险丝盒的类型有垂直式或水平式安装，便于用户灵活设计机壳。某些类型甚至已经预装好了熔丝，从而加快系统装配速度，降低安装成本。