Могат ли SMD термисторите да осигурят защита срещу токове на късо съединение за електрониката?

Възстановяема защита срещу токове на късо съединение чрез SMD термистори

Самовъзстановяващият механизъм на SMD термисторите: PTC ефектът в миниатюрна форма

Освен че осигуряват миниатюрна самовъзстановяваща се защита от прекомерен ток, SMD термисторите използват ефекта на положителния температурен коефициент (PTC). При термистор прекомерният ток предизвиква PTC-събитие, при което съпротивлението рязко нараства хиляди пъти за милисекунди (поради джоулево загряване). Това не само постоянно защитава компонент(а) в токовата верига, но и възстановява PTC-елемента, свързан последователно с токовата верига. Тази функция на самовъзстановяване се различава от тази на обикновен предпазител. PTC-елементите подпомагат непрекъснатата работа на цялата система по време на обичайни краткотрайни върхове на напрежението/аварийни условия, което повечето инженери оценяват. Временните претоварвания на веригата са характерна особеност, а не дефект, на тези устройства. PTC-елементите са произвеждани в размери, подходящи за корпуси 0201. Това означава, че устройствата заемат по-малко от един квадратен милиметър площ върху ППС (печатна платка).

SMD термисторите се изработват от компоненти с твърдо състояние, което им осигурява предимство при въздействието на удари и вибрации. Тези типове компоненти са идеални за автомобилни и промишлени системи, тъй като трябва да издържат значителни вибрации. Докато предпазителите имат своето предназначение при управлението на много високи токови върхове, които могат да надвишават 10 kA, за дългосрочната икономическа ефективност SMD термисторите са най-доброто решение. В случай на чести повтарящи се неизправности, като например в блоковете за захранване и в системите за управление на двигатели, SMD термисторите могат да осигурят около 60% спестявания по разходите за поддръжка. По време на работа компонентите (керамични или полимерни) осигуряват последователни стойности на активиране в температурния диапазон от -40 °C до +125 °C с максимално отклонение от 7%.

Основни критерии за избор при проектиране на защита от токова претовареност – SMD термистори

Номинално напрежение, Ihold и температура на околната среда в проектирането на печатни платки

При избора на SMD термистори има три важни аспекта, които трябва да се вземат предвид: номинално напрежение, задържащ ток (Ihold) и температура на заобикалящата среда. Номиналното напрежение трябва да е по-голямо от максималната стойност на очакваното напрежение в веригата, към която е свързан термисторът, за да се избегне рискът от диелектрически пробив. Това е особено важно за високомощни приложения като USB-C PD портове и промишлени контролни панели, където могат да възникнат вълни на напрежение. Задържащият ток за SMD термисторите обикновено е в диапазона от 30 милиампера до 14 ампера, при който положителният температурен коефициент (PTC) увеличава съпротивлението и води до прекъсване на тока при стойности, надвишаващи задържащата стойност. Освен това са важни работните параметри и номиналната температура на термистора. Устройствата, които са класифицирани за работа при 25 градуса Целзий, често започват да се активират и да се връщат в изходно състояние при 40 градуса Целзий поради топлинна деградация. Проектантите трябва да вземат предвид топлината, която се отделя от съседни компоненти.

Близостта на процесорите и ИС за управление на захранването повишава локалната температура на платката с 15 до 20 градуса по Целзий, което потенциално намалява ефективния ток за удръжане с почти 33 процента. Грешните оценки на тези стойности водят до преждевременни изключвания, които нарушават непрекъснатостта на работата, или до опасно забавени реакции при възникване на неизправности.

Балансиране на размерите на SMD-опаковките 0201 и 1206, топлинното поведение и разсейваната мощност

При проектирането на електронни вериги размерът оказва значително влияние върху поведението на компонентите при защита от токове, надвишаващи номиналните. Пакетите 0201 и 0402 позволяват максимално използване на площта на печатната платка, особено при носими устройства и устройства за Интернет на нещата (IoT). Обаче поради малкия си размер тези компоненти се нагряват бързо и активират веригите за защита от токове, надвишаващи номиналните, за едва няколко милисекунди. В противоположност на това пакетите 0805 и 1206 могат да издържат по-високи стойности на постояннотоковата нагрузка — до 5 ампера. Следователно те са подходящи за тежки работни условия, като например автомобилни развлекателни системи, където надеждността е от критично значение. Компромисът е, че по-големите пакети, благодарение на по-голямата си топлинна маса, имат време на топлинен отклик, което е с 15 % до 40 % по-бавно, което поставя пред инженерите предизвикателство при проектирането — да определят дали за целевата функция на крайния продукт е по-важна площта на печатната платка или времето на топлинен отклик.

Топлинен отговор: Устройствата тип 0402 могат да идентифицират повреди почти два пъти по-бързо в сравнение с устройствата тип 1206, но могат да издръжат около 60 % по-малко енергия преди повреда.

Мощностна товароносимост: Пакетите тип 1206 могат да разсейват до 1,2 W, докато пакетите тип 0201 могат да разсейват само 0,25 W, което ги прави подходящи за приложения в моторни задвижвания и за електропроводни шини с висок ток.

Ограничения при проектирането на печатна платка: Компонентите тип 0201 понякога са задължителни в плътно компоновани конструкции, но са необходими термични релефи и изолация, за да се избегне кръстосано затопляне от съседни компоненти.

Важни разлики в производителността на керамични и полимерни SMD термистори.

Поведение, специфично за материала: Температурен коефициент на съпротивлението (TCR), време за активиране, съотношение между удръжващия и тригерния ток.

Разликите в производителността между керамичните и полимерните SMD термистори се дължат предимно на различните им материали. Например, керамиката често се изготвя от легиран бариев титанат, който осигурява по-добра топлопроводност и стабилност. Този тип материал осигурява последователни стойности на температурния коефициент на съпротивление (TCR) от около ±4 % на °C и показва съотношение между ток за задържане и ток за активиране от приблизително 1,5 към 1. Това минимизира възможността за лъжливо изключване в вериги, които са чувствителни към колебания на напрежението. В противовес на това полимерните термистори се държат по-различно, тъй като използват въглеродно натоварена полимерна матрица.

Те могат да реагират значително по-бързо, понякога за около половин секунда, но техните TCR дрейфове са ±15 % на градус. Следователно, когато промените в температурата са непоследователни, тези устройства могат да станат нечувствителни. Основните различия при тези подходи се свеждат до…

Динамика на изключване: керамичните компоненти реагират по-линейно и постепенно на температурни промени, докато полимерните реагират по-моментално на прекомерни токове

Съотношение удръжка/пускане: Керамиките имат по-тесни съотношения (1,5:1), което подпомага точността при удръжка; полимерите обикновено имат съотношение 2:1, което увеличава вероятността от лъжливи пускания

Дългосрочна надеждност: след 10 000 цикъла керамиките имат дрейф на температурния коефициент на съпротивление (TCR) < ±5 % през целия им експлоатационен живот, докато при полимерите този дрейф може да достигне ±20 %, което ги прави ненадеждни за критични по отношение на сигурността или с дълъг експлоатационен живот приложения

За печатни платки (PCB), при които точността е от съществено значение — особено тези, използвани за захранване на аналогови сензори или усилватели с нисък шум — керамичните SMD термистори са очевидният избор за последователност, докато полимерните им аналози са идеални, когато скоростта и възможността за многократно възстановяване са предпочтителни пред точността.

Практически приложения на SMD термисторите в съвременната електроника

Защита на USB-C PD с помощта на SMD термистори, изработени от полимери

Компактни възстановяеми полимерни SMD термистори в опаковка 0402 (около 1 мм × 0,5 мм) осигуряват защита срещу токове на претоварване за портовете USB-C Power Delivery. При къси съединения или импулсни върхове на напрежението тези термистори реагират приблизително десет пъти по-бързо от конвенционалните предпазители, за да ограничат аварийните токове до безопасни нива. Благодарение на малките си размери SMD термисторите притежават много ниска топлинна маса, което им позволява да поддържат постоянни прагове за активиране (±7,00 %), дори и в различни топлинни среди. За разлика от традиционните предпазители SMD термисторите се възстановяват автоматично след период на охлаждане, което ги прави безпроблемни за употреба. В Доклада за съответствие с USB-C PD от 2022 г. е документирано повече от 100 000 работни цикъла за тези устройства при пълни товари от 100 вата, което потвърждава надеждността им в масовите потребителски електронни устройства.

Термистори SMD от керамика. Керамичните термистори SMD са устройства за защита срещу токове на претоварване и са изключително надеждни за приложения с висока вибрация, като например автомобилната промишленост и промишлените IoT системи, тъй като механичните напрежения върху техните елементи оказват вредно въздействие върху електромеханичните решения. Доказано надеждни начини на приложение включват:

- Цялостност на монтирането. Паяната директна фиксация върху печатната платка чрез рефлоу пайка гарантира, че компонентът няма да се отдели дори при най-тежкото вибрационно натоварване от 5G.

- Топлинно дерейтиране. Компонентът може да се използва стабилно в температурен диапазон от -40 °C до +125 °C, без да се изисква повторна калибрация или компенсация.

- Безопасно разстояние при аварийно състояние. Задържането на разстояние от 3 мм или повече от двете страни на компонента спрямо IC-елементи, работещи при висока температура, предотвратява лъжливи активации на компонента.

SMD керамичните термистори за автомобилна употреба се предлагат в стандартните размери 0603 и 0805 и могат да издържат удари над 50 g, без да се отлепят от платката, което ги прави идеални за използване в системи ADAS, телематика, V2X и други автомобилни приложения, изискващи висока надеждност. Те демонстрират четири пъти по-добри резултати от защитните герконови превключватели в устройства за разтоварване на напрежението, което е причината производителите да преминат към новия термистор. В „Проучването на надеждността на електрониката за логистика 2024“ тези устройства са били тествани и се съобщава, че функционират безупречно дори след 500 000 цикъла на вибрация. Коефициентът на откази от 0,2 % също е причина тази нова трансформация да бъде приета от други производители за такива тежки условия.

Каква роля изпълняват SMD термисторите в електрическите вериги?

SMD термисторите използват PTC (положителен температурен коефициент) и осигуряват възстановяема защита срещу прекомерен ток. Те могат автоматично да се възстановяват след събития на защита срещу прекомерен ток.

Какви са предимствата на SMD термисторите пред предпазителите?

Предпазителите са еднократни устройства, докато SMD термисторите се възстановяват самостоятелно многократно. Те са по-добри в повечето ситуации с висока вибрация, тъй като са по-бързи и по-надеждни.

Какви технически характеристики трябва да се имат предвид при избор на SMD термистор?

За да осигурят най-оптимална защита и функционалност за веригата, техническите характеристики на SMD термистора, които трябва да съответстват на проекта на веригата, включват номиналното напрежение, токът за задържане и температурата на околната среда.

Къде се използват най-често SMD термисторите?

Благодарение на способността си да издържат чести цикли и високи температури SMD термисторите са най-полезни в промишлени и автомобилни приложения, IoT устройства и USB-C портове за доставка на електрическа мощност.