电路中精密电阻和熔断器的两级保护方案

罗亚涛 孙 康 曾宪旦 陈 镇

（南京萨特科技发展有限公司 南京 210049）

引言

据公开信息，我国每年火灾报警数量约20 万起，造成上千人伤亡和数十亿财产损失。从起火原因看，排在首位的电气引发的火灾在所有火灾中占比34 %，用火不慎引发火灾占17 %，排在第二位。电气引起的火灾主要原因包括电路短路或异常电流/电压引起的电路过流或过压，进而导致元件或电路环境过热引起易燃材料燃烧或爆炸。

通常情况下，针对电路保护需要，会在电路中安装一些防护元器件，如熔断器、热敏电阻、压敏电阻、静电抑制器等保护元器件[1]，可针对过流、过压、过温以及静电问题可能导致的电路异常起到保护作用。

常规的保护元器件工作时均需要比较明显的电源信号波动，如IEC 标准[2]规定熔断器需要在1 ～1.05 倍额定电流下坚持100 次的1 小时耐久试验，且在1.25 倍额定电流下坚持1 小时不熔断才算符合要求，熔断器在偶尔不超过额定值25 %的情况下基本上不会做保护动作；而通常情况下压敏电阻阈值也高出电路正常使用电压的2 ～4 倍，甚至更高。

但随着电子电路的小型化和精密化发展，产品总体回路电流电压越来越低，同时要求在更小的信号波动范围内对电路进行精密控制。如智能穿戴、手机等，都是逐渐在往小型化和精密化发展。另外随着现代化电子设备需要实现的功能越来越多，导致更多功能性的支路电路越来越多，通常情况下支路的输入输出电流信号要远远小于总回路，所以同样面临精密控制和保护的电路需求。

针对上述问题和需求，针对不同电路异常信号的精密测量和控制逐渐成为电路中一种新的保护需求方案。

通常情况下，传统电阻器在电路中的作用主要是限流稳压，一般采用厚薄膜工艺制造。但随着材料和电阻技术的迅速发展，新型的电阻器逐渐在电路中发挥更多的作用，如超低阻精密电阻器可以作为电路信号的侦测，压敏和热敏电阻可以作为感应元器件用来作为保护器件，点火电阻可以作为热源用于引爆或者热触发等。其中超低阻电阻器作为一种信号侦测的元件，可以配合其他保护期间形成两级的电路保护方案。而且相对于其他电阻相对“粗放式”的保护机理，超低阻精密电阻的保护更加精密，更加符合日益发展的精密电路。

1 超低阻精密电阻器的电路保护原理

通常情况下，行业定义100 mΩ 以下，精度在±1 %以下的电阻为超低阻精密电阻器。而电阻器制造企业则将阻值在10 mΩ 以内的电阻作为超低阻电阻。

由于电子设备和仪器的小型化发展，电路中的电压较低，根据伏安法测电阻原理，由于在电路电压一定时，回路中的电流大小与阻值呈反比，所以为了获得更加精准的测量结果，尽可能降低电阻值，可以将输出的电流信号放大，便于侦测和控制。

根据上述理论，将超低阻精密电阻串联于需要监控的电路回路中，实时监控电阻两端电压变化，将信号值反馈给IC 控制系统，IC 会根据电压的变化计算出流经电阻器的电流信号变化。当信号变化超出预期设定的范围后，IC 会根据要求控制MOS 调整电压或电流以实现该回路的稳定。

随着电子电路进一步发展，未来电路的精密保护对超低阻精密电阻提出更多要求。如更低的电阻值（1 mΩ以下），更高的的精度（±0.5 %以内）和更低的电阻温度系数（±20 ppm/K 以下）等。

目前萨特科技发展有限公司（简称“萨特”）常用的精密电阻包括焊接冲压工艺或冲压塑封工艺的纯合金电阻（如图1所示），合金箔电阻（如图2所示）和厚薄膜电阻（如图3所示）等，产品阻值区段（0.2～1）MΩ，精度最高可达±0.05 %。根据具体的应用场景选择相应工艺的精密电阻。

图1 合金电阻器结构示意图

图2 合金箔电阻器结构示意图

图3 厚膜/薄膜电阻器结构示意图

2 熔断器的电路保护原理

相较于精密电阻的保护原理，熔断器的保护作用相对比较简单，其主要依赖于熔断器对于电路中的电流和电压波动的反馈。

熔断器在通过较大的异常电压或电流信号时，产生的高温会熔断器内部温度在短时间内达到熔体材料的熔点，熔体融化后导致熔断器快速断开，进而断开熔断器后端需要保护的电路。

为了避免异常信号对电路的持续伤害，通常情况下，我们对于熔断的时间会有相应的要求，如UL 要求熔断器在2 倍的额定电流下熔断时间不得大于120 s，在10倍的额定电流下熔断时间要求在毫秒级别。

目前萨特常规推荐的贴片式熔断器主要包括厚薄膜熔断器（如图4所示）和管状熔断器（如图5所示）等，产品电流区0.5 mA～800 A，可根据客户实际应用进行选配。

图4 厚膜/薄膜熔断器结构示意图

图5 管状熔断器结构示意图

通常情况下，一个可单独运行的回路就需要一套保护系统。如对于具有多功能的多级电路，除了主回路需要保护，各支路同样需要保护器件的保护，如图6所示。所以在主回路信号输入端布置一个或多个较大额定电流熔断器，核心支路前端可布置精密电阻和较小额定电流熔断器组合，即可保证整体回路安全，又可针对性的保护电路中的核心部位。

图6 两级保护方案示意图

某无线蓝牙音箱项目，采用两串锂电池管理IC，两串四并的电芯，正常工作电流5 A，如图7所示。过流保护电流27 A，延迟11 ms；短路电流约100 A，延迟450 us。该电路中选用一颗萨特科技的3 mΩ 合金精密电阻作为一次保护，另外选用一颗额定电流25 A 的贴片熔断器作为二次保护。

图7 无线蓝牙音箱项目示意图

某笔记本电脑Pack 项目，采用3/4 串锂电保护IC，短路电流54 A，延迟时间为1 ms，如图8所示。该电路采用一颗萨特1206 尺寸额定电流7 A 规格的贴片熔断器作为二级过流保护。经测试该熔断器在54 A 下的熔断时间约为10 ms，当电路发生异常时会先由精密电阻反馈信号给IC 触发一级保护，当存在较大异常电流或电压时，熔断器会触发二次保护。

图8 某笔记本电脑Pack 项目示意图

此外，在新能源车用多串电池系统中，其保护板输入或输出端通常会各布局一颗管状熔断器和精密电阻以保护总体电路安全，部分电源生产商还会在回收电路中布置一颗熔断器，以防止异常浪涌电流对电路的破坏。

4 结束语

针对目前越来越多样化的电路保护需求，精密电阻和熔断器的组合由于成熟的技术方案、较低的生产成本和优秀的保护能力逐渐成为电路保护中的主要应用方案，尤其在航空航天、电工电子、新能源、通讯等领域发挥着越来越重要的作用。