EN
Genbrugelig overstrømsbeskyttelse via SMD-thermistorer
Selvgenstartende mekanisme i SMD-thermistorer: PTC-effekten i miniaturform
Ud over at levere miniaturiseret, selvgenoprettende strømoverbelastningsbeskyttelse udnytter SMD-thermistorer effekten af den positive temperaturkoefficient (PTC). I en thermistor udløser for stor strøm en PTC-hændelse, hvor modstanden stiger tusindfold på få millisekunder (på grund af Joule-opvarmning). Dette beskytter ikke kun permanent komponenten(-erne) i strømstien, men genopretter også PTC’en i serie med strømstien. Denne selvgenoprettende funktion adskiller sig fra en konventionel sikring. PTC’er understøtter den fortsatte drift af det samlede system under almindelige, korte strømspidser/fejltilstande, hvilket de fleste ingeniører sætter pris på. Kortvarige overbelastninger af kredsløbet er en funktion, ikke en fejl, ved disse enheder. PTC’er er nu fremstillet i størrelser, der er velegnede til 0201-pakker. Dette betyder, at enhederne optager mindre end én kvadratmillimeter på printpladen (printed circuit board).
SMD-thermistorer er fremstillet af faste komponenter, hvilket giver dem en fordel i forhold til stød og vibrationer. Disse typer komponenter er ideelle til automobil- og industrielle systemer, da de skal udsættes for meget vibration. Mens sikringer har deres formål ved håndtering af meget høje strømstød, der kan overstige 10 kA, er SMD-thermistorer den bedste løsning på lang sigt set ud fra omkostningsperspektivet. I fejlsituationer, der gentager sig ofte – som f.eks. i strømforsyningsenheder og motorstyringer – kan SMD-thermistorer reducere vedligeholdelsesomkostningerne med ca. 60 %. Under driften leverer komponenterne (baseret på keramik eller polymer) konsekvent udløsningspunkter inden for temperaturområdet fra -40 °C til +125 °C med en maksimal variation på 7 %.
Vigtigste udvælgelseskriterier for overstrømsbeskyttelsesdesign med SMD-thermistorer
Spændingsniveau, Ihold og omgivelsestemperatur i PCB-design
Når man vælger SMD-thermistorer, er der tre vigtige aspekter, der skal tages i betragtning: spændingsklassen, holdestrømmen (Ihold) og omgivende temperatur. Spændingsklassen skal være større end den maksimale værdi af den forventede kredsløbspænding fra thermistoren for at undgå risikoen for dielektrisk gennemslag. Dette er særligt vigtigt ved højeffektsapplikationer som USB-C PD-porte og industrielle styrepaneler, hvor der kan forekomme spændingsspidser. Holdestrømmen for SMD-thermistorer ligger typisk mellem 30 milliampere og 14 ampere, hvor den positive temperaturkoefficient (PTC) øger modstanden og får strømmen til at blive begrænset, når den overstiger holdeværdien. Desuden er driftsparametrene og den angivne driftstemperatur for thermistoren vigtige. Enheder, der er angivet til drift ved 25 grader Celsius, begynder ofte at udløse og nulstille ved 40 grader Celsius på grund af termisk nedjustering. Konstruktionsingeniører skal tage højde for varmen fra nabokomponenter.
Nærheden af processorer og strømstyrings-IC'er forhøjer lokale brættetemperaturer med 15 til 20 grader Celsius, hvilket potentielt kan reducere den effektive fastholdelsesstrøm med næsten 33 procent. Forkerte vurderinger af disse tal fører til for tidlige frakoblinger, der forstyrrer den driftsmæssige kontinuitet, eller farligt forsinkede reaktioner på fejlsituationer.
Afvejning af SMD-pakkestørrelser: 0201 versus 1206, termisk adfærd og afsat effekt
Når elektroniske kredsløb designes, har størrelsen en betydelig indflydelse på komponenternes overstrømsbeskyttelsesadfærd. Pakkerne 0201 og 0402 kan maksimere brugen af pladens overfladeareal, især i tilfælde af bærbare enheder og IoT-enheder. På grund af deres lille størrelse opvarmes disse komponenter dog hurtigt og aktiverer overstrømsbeskyttelseskredsløbene allerede efter få millisekunder. I modsætning hertil kan pakkerne 0805 og 1206 klare højere mængder kontinuerlig strøm – op til 5 ampere. Derfor er de velegnede til krævende miljøer, såsom bilens underholdningssystemer, hvor pålidelighed er afgørende. Kompromiset er, at større pakker med deres større termiske masse har termiske responstider, der er 15 % til 40 % langsommere, hvilket dermed stiller ingeniører over for en designudfordring: at afgøre, om pladens overfladeareal eller den termiske responstid er mere afgørende for den tilsigtede funktion af det endelige produkt.
Termisk respons: 0402-komponenter kan identificere fejl næsten dobbelt så hurtigt som 1206-komponenter, men kan håndtere ca. 60 % mindre energi, inden de fejler.
Effekthåndtering: 1206-pakker kan aflede op til 1,2 W, mens 0201 kun kan aflede 0,25 W, hvilket gør dem velegnede til motorstyrings- og strømforsyningsapplikationer med høj strøm.
PCB-layoutbegrænsninger: 0201-komponenter kræves nogle gange i meget tæt pakket design, men termiske aflastninger og isolation er nødvendige for at undgå krydsopvarmning fra nabokomponenter.
Vigtige ydelsesforskelle mellem keramiske og polymere SMD-termistorer.
Materiale-specifikke egenskaber: TCR, udløsetid, forhold mellem hold-/udløsestrøm.
Ydeevnens forskelle mellem keramiske og polymere SMD-thermistorer skyldes primært deres forskellige materialer. Keramikker fremstilles ofte f.eks. af dopet bariumtitanat, hvilket giver bedre termisk ledningsevne og stabilitet. Denne type materiale leverer konsekvente TCR-værdier på ca. ±4 % pr. °C og viser en forholdsmæssig strøm fra hold-strøm til udløsningsstrøm på ca. 1,5 til 1. Dette minimerer risikoen for forkerte udløsninger i kredsløb, der er følsomme over for spændingsudsving. I modsætning hertil opfører polymer-thermistorer sig anderledes, da de bruger en kulstofindholdende polymermatrix.
De kan reagere meget hurtigere, nogle gange på omkring et halvt sekund, men deres TCR-drift er ±15 % pr. grad. Derfor kan disse enheder blive uresponsiv, når temperaturændringerne er uregelmæssige. De primære forskelle i disse tilgange reduceres til…
Udløsningsdynamik: Keramikker reagerer mere lineært og gradvist på temperaturvariationer, mens polymerer reagerer mere øjeblikkeligt på overstrømme
Forhold mellem hold- og udløsningspunkt: Keramik har mere præcise forhold (1,5:1), hvilket understøtter præcis holdning; polymerer har normalt et forhold på 2:1, hvilket øger risikoen for forkerte udløsninger
Langtidspålidelighed: Efter 10.000 cyklusser har keramik en TCR-drift på < ±5 % for hele deres levetid, mens polymerer kan have en drift på ±20 %, hvilket gør dem upålidelige til missionskritiske eller applikationer med lang levetid
For printkort, hvor nøjagtighed er afgørende – især de, der bruges til at føde analoge sensorer eller lavstøjforstærkere – er keramiske SMD-thermistorer det klare valg for konsekvens, mens polymere modstykker er ideelle, når hastighed og flere genstarte prioriteres højere end nøjagtighed.
Praktiske anvendelser af SMD-thermistorer i dagens elektronik
Beskyttelse af USB-C PD med SMD-thermistorer fremstillet af polymerer
Kompakte, genbrugelige polymer-SMD-thermistorer i 0402-emballage (ca. 1 mm × 0,5 mm) sikrer overstrømsbeskyttelse for USB-C Power Delivery-porte. Ved kortslutninger eller strømspidsbelastninger reagerer disse thermistorer ca. ti gange hurtigere end konventionelle sikringer for at begrænse fejlstrømme til sikre niveauer. På grund af deres lille størrelse har SMD-thermistorer meget lav termisk masse, hvilket giver dem mulighed for at opretholde konstante udløsningsniveauer (±7,00 %), selv i forskellige termiske miljøer. I modsætning til traditionelle sikringer nulstiller SMD-thermistorer sig automatisk efter en afkølingsperiode, hvilket gør dem problemfrie. I USB-C PD-konformitetsrapporten fra 2022 er der dokumenteret mere end 100.000 driftscykler for disse komponenter ved fuld belastning på 100 watt, hvilket understøtter pålideligheden af masseproducerede forbrugerelkemiske enheder.
SMD-thermistorer fremstillet af keramik. SMD-keramiske thermistorer er beskyttelseskomponenter mod overstrøm, som er meget pålidelige til applikationer med høj vibration, såsom automobilindustrien og industrielle IoT-løsninger, da mekanisk spænding på deres elementer er skadelig for elektromekaniske løsninger. Der er dokumenteret pålidelige implementeringer, herunder:
- Monteringsintegritet. Lodning direkte til printpladen via reflow-lodning sikrer, at komponenten ikke løsner, selv under de hårdeste vibrationsbelastninger på 5G.
- Termisk nedjustering. Komponenten kan anvendes på stabil måde inden for et temperaturområde fra -40 °C til +125 °C uden behov for genkalibrering eller kompensation.
- Sikkerhedsafstand. Ved at holde en afstand på 3 mm eller mere på hver side af komponenten fra varme-kørte IC’er undgås uønskede udløsninger fra komponenten.
De SMD-ceramiske termistorer til brug i køretøjer er tilgængelige i de standardstørrelser 0603 og 0805 og kan tåle stød på mere end 50 g uden at løsne sig fra kredsløbskortet, hvilket gør dem ideelle til brug i ADAS, telematik, V2X og andre automobilapplikationer, der kræver høj pålidelighed. De ydede fire gange bedre end beskyttende reedkontakter i spændingsaflastningsenheder, og det er grunden til, at producenterne skifter til den nye termistor. I Logistik-Elektronik Pålidelighedsundersøgelsen 2024 blev disse komponenter testet og rapporteret til at fungere fejlfrit, selv efter 500.000 vibrationscyklusser. Den lave fejlrate på 0,2 % er også årsagen til, at andre producenter overgår til denne nye løsning for så krævende forhold.
Hvilken rolle spiller SMD-termistorer i kredsløb?
SMD-termistorer anvender PTC (positiv temperaturkoefficient) og leverer genoprettelig strømoverbelastningsbeskyttelse. De kan automatisk genoprettes efter begivenheder med strømoverbelastning.
Hvordan er SMD-thermistorer bedre end sikringer?
Sikringer er engangsprodukter, mens SMD-thermistorer genopstiller sig selv flere gange. De er bedre i de fleste situationer med høj vibration, fordi de er hurtigere og mere pålidelige.
Hvilke specifikationer skal overvejes ved valg af en SMD-thermistor?
For at SMD-thermistorerne yder den mest optimale beskyttelse og funktionalitet til kredsløbet, skal de specifikationer, der skal matche kredsløbsdesignet, omfatte spændingsklassen, holdestrømmen og omgivelsestemperaturen.
Hvor er SMD-thermistorer mest nyttige?
På grund af deres evne til at klare hyppige cyklusser og høje temperaturer er SMD-thermistorer mest nyttige i industrielle og automobilrelaterede situationer, IoT-enheder samt USB-C Power Delivery-porte.
