Fuse设计选型详解

Fuse设计选型详解本文仅针对Fuse（熔断器）选型，PPTC&CPTC及其他过流保护装置或电路不在其列。

一、Fuse简介及分类1、Fuse的结构：（1）熔体：保险丝的核心部分，熔断时起到切断电流的作用。

以管式保险为例，就是玻璃管中间看到的金属丝；（2）电极：熔体与电路联接的部分，该部分必须具有良好的导电性，电阻值极小；（3）支架：固定熔体与电极成为刚性的整体的部分，便于安装使用，熔体相对脆弱，所以要求支架具有良好的机械强度、绝缘性、耐热性、和阻燃性。

以管式保险丝为例，就是玻璃管部分，可以防止内部的熔体被氧化或受外力而断裂，同时也保证在熔体熔断时、熔断后不会产生二次损害；（4）灭弧装置：该部分主要存在于高分断能力或高低压熔断器，可忽略。

2、Fuse的分类：（1）按保护形式：过电流保护与过热保护，在这里只讨论过电流保护的Fuse；（2）按使用范围：电力保险丝、机床保险丝、电气仪表保险丝（电子保险丝）、汽车保险丝，在这里我们适用于电子保险丝；（3）按形状（安装方式）：管式保险丝（又分平头、尖头、内焊式、外焊式），铡刀式保险丝、螺旋式保险丝、片式保险丝（常见于汽车保险，少数机动车采用管式保险丝）、平板式保险丝、贴片式保险丝；（4）按额定电压：高压保险丝、低压保险丝、安全电压保险丝；科普知识：安全电压的范围，我国规定工频安全电压（有效值）的上限为50V，直流安全电压的上限为120V，我们常说的安全电压36V一般是指工频电压等级，也就是交流电，国家标准GB/T 3805-2008[特低电压（ELV）限值]中规定交流（15Hz～100Hz）的电压的有效值额定值等级有42V，36V，24V，12V，6V，而对于更高频率或直流电的电压限值因为尚无可靠的研究数据，所以标准中未给出相应的限制。

（5）按分断能力：高分断能力保险丝、低分断能力保险丝；（6）按体积：大型、中型、小型、微型；（7）按熔断速度：特慢速保险丝（一般用TT表示）、慢速保险丝（一般用T表示）、中速保险丝（一般用M表示）、快速保险丝（一般用F表示）、特快速保险丝（一般用FF表示）。

（8）按安规认证：欧规保险丝（IEC标准，中国、欧洲）、美规保险丝（UL/CSA标准，美国、加拿大等北美国家）、日规保险丝（MIT/KTL标准，日韩）（9）按分断电流范围：全范围分断能力（不涉及）、部分范围分断能力（10）按使用类别：一般用途保险丝、电机保护用保险丝（11）按熔断指示：无指示、有指示（熔断指示如发光、变色、弹出固体指示器等）二、保护装置设计选型的基本要求该部分为电气保护的基本要求，不仅针对Fuse1、选择性：当电路发生故障时，只离故障点最近的保护装置动作，切除故障，而其他部分仍然正常运行。

保护装置满足这一要求的动作，称为“选择性动作”。

如果电路发生故障时，靠近故障点的保护装置不动作（拒动），而离故障点远的前一级保护装置动作（越级动作），就称为“失去选择性”。

2、速动性：为防止故障扩大，减轻其危害程度，并提高电路运行的稳定性，因此在电路发生故障时，保护装置应尽快的动作，切除故障。

（及时有效的动作）3、可靠性：保护装置在应该动作时动作，不应该拒动；而不应该动作时，就不应误动。

可靠性要求非常重要，需要根据实际需求选择合适的规格。

4、灵敏度：灵敏度或灵敏系数，是表征保护装置对其保护区内故障和不正常工作状态反应能力的一个参数。

如果保护装置对其保护区内极轻微的故障都能及时的反应动作，就说明保护装置的灵敏度高。

三、Fuse选型的关键参数释义1、额定电流：保险丝管的标称工作电流（需特别注意的是，该标称值在不同安规标准中含义不同，主要是IEC60127与UL248中的定义及测试条件不兼容，在选型指导中详述）。

2、最大稳态工作电流：受保护回路在正常工作状态下的长时间出现的最大工作电流。

该参数不属于Fuse本身参数，而是受保护回路的基本参数。

作为一个补充概念，在Fuse参数选取中极为重要。

3、额定电压：保险丝的标称电压，该值为熔体熔断后，能安全承受的最大电压。

4、分断能力：当电路中出现很大的过载电流（如强短路）时，Fuse能安全切断（分断）电路的最大电流。

它是保险丝最重要的安全指标。

安全分断是指在分断电路时不发生喷溅、燃烧、爆炸、飞弧等危及周围元、部件以至人身安全的现象。

该值在选取时，必须大于保护回路中可能出现的最大电流，必须考虑强短路情况下的短路电流。

5、过载能力(承载能力)：保险丝能在规定时间内维持工作的最大过载电流。

当流经保险丝的电流超过额定电流时，一段时间后熔体温度将逐渐上升以至最后被熔断。

UL248标准规定：保险丝维持工作4小时以上，最大不熔断电流是额定电流的110%（微型保险丝管为100%）IEC60127标准规定：保险丝维持工作1小时以上，最大不熔断电流是额定电流的150%。

注：引用标准只是辅助阐明概念，具体的值应根据实际使用环境对照Datasheet选取。

同时，引述的标准也可以看出，UL与IEC标准不兼容，意味着分别符合这两种安规的Fuse 不可混用，现在是否有兼容的安规需咨询查证。

6、熔断特性（I-T）：保险丝所加负载电流与保险丝熔断时间的关系。

A、熔断特性曲线（I-T曲线）：在以负载电流为X轴，熔断时间为Y坐标的对数坐标系内，由保险丝在不同负载电流下的平均熔断时间坐标点连成的曲线。

每一种型号规格的保险丝都有一条相应的曲线可代表其熔断特性，这种曲线很好地描绘了保险丝的过载性能。

可供保险丝选用时参考。

B、熔断特性表：由几个规定的具有代表性的负载电流值和对应的熔断时间范围所组成的表格。

各安全标准都已明确规定，这是验收保险丝的最主要依据。

例如UL、CSA、MIT/KTLA种规格快速熔断型，规定为：In 100% 4小时最小In 135% 1小时最大In 200% 2分钟最大7、熔化热能值（I²T）：使保险丝的熔断体熔化，部份汽化的切断电流所需要的公称能量值，简单说就是使保险丝熔断所需的最小热能值。

电路中可以根据焦耳定律Q=I²Rt求解发热量（注意此公式单位为焦耳），尖峰电流或浪涌电流也可以通过求积分的方式求解发热量Q=∫I²Rt。

在实际应用中对其简化令R为单位1，取I²t作为为熔化热能值的参数，以方便Fuse的参数选取。

总量I²t=熔化I²t+飞弧I²t其中熔化I²t（相当于IEC标准中的预飞弧I²t），指从熔体熔化到飞弧开始瞬间所需要的能量；飞弧I²t是指飞弧开始瞬间到飞弧最终熄灭所需要的能量。

对于低压或安全电压保险丝来说，飞弧时间非常短，常可忽略，即飞弧I²t可以按零计算。

一般在认证机构认证，要进行熔化热能测试：给Fuse施加一个电流增量并测量熔化发生的时间，如果在8ms或更长时间内不熔断，就增加脉冲电流的强度，重复进行实验直到Fuse的熔断时间在8ms以内。

因此即使UL和IEC都未对I²t作强制要求，但大多数保险丝的I²t测算是在保险丝的熔断时间小于10ms（通常是以8 ms）时的I²t来计算。

该参数的主要目的是确保产生的热能没有足够的时间从熔体部件通过热传导跑掉，其全部热能用于熔断熔体。

而该参数也在另一方面可以反映Fuse对于瞬间冲击电流的敏感度，在受保护回路存在浪涌等瞬时尖峰电流时，具有一定的参考价值。

8、电压降：在额定电流条件下，达到热平衡后保险丝两端的电压差。

该参数主要反映了Fuse的内阻特性，一方面可用于预估Fuse对受保护回路电气参数的影响，另一方面也是IEC标准中规定有“耐久性试验法”中的主要测试依据（UL标准无对应测试）。

9、工作温度与温度折减图Fuse的电流承载能力，其实验是在+25℃环境温度条件下进行的，因Fuse的工作机理及材料特性，该实验受环境温度变化的影响。

环境温度越高，Fuse的工作温度就越高，其寿命就越短，相反，在较低的温度下运行会延长Fuse的寿命。

如果保险丝不是工作在+25°C 环境之下，那么在选型的时候须参考厂家给出的温度折减曲线来对保险丝进行温度折减，如下图X轴为温度，Y轴为额定电流的百分比：上图 ABC三条曲线对应不同的类型Fuse或保护器件，分别是环境温度过高有损于保险丝的寿命。

延时型（慢熔断型）保险丝如锡球型，温度约等于160℃（150~170℃）时锡开始向金属丝扩散；快速熔断型保险丝的可熔体（金属丝）开始较剧烈氧化的温度约等于200℃（175~225℃）。

随熔丝由外向里的氧化、多次的扩散、热应力疲劳等，保险丝的寿命将逐渐缩短。

因而建议延时型保险丝熔丝不应长时间在150℃以上工作，快速熔断型保险丝不应长时间在175~225℃以上工作。

因此，若选用的Fuse需要在SMT阶段焊接，需注意焊接温度以及时长是否会影响Fuse的特性，造成其额定电流特性改变，不过这种改变一般会造成额定电流减小，不会对安全性造成影响。

10、温升：在一定电流条件下，达到热平衡后保险丝表面温度与通电初始温度（可以理解为环境温度）之差，即温升=保险丝表面温度—环境温度。

保险丝的温升是指保险丝中流过1.1倍（110%）额定电流时，保险丝的温度上升值，即实测温度减去环境温度的值。

UL标准将其上限规定在75℃。

因为保险丝的熔体对温度较为敏感，在一定高的温度长时间的作用下，它的熔点及阻抗将发生变化，这种变化会影响保险丝的准确性。

这就是通常说的保险丝老化。

老化的保险丝使用于电路中是非常危险的，所以，我们在制作和使用保险丝时都应该注重保险丝的温升。

同理，我们也应该注意到，即使经过长时间使用的保险丝未发生熔断，它也有可能已经老化了，此时最好进行更换。

四、Fuse选型要求在选型时，部分参数为安全性参数，所有的安全性参数在选取时具有强制性，必须达到或超过相应指标，如安规认证、额定电压、分断电流等均属于安全性参数，在选取时需要特别注意。

1、安规认证标准体系的选取在国际上主要是有两种认证标准体系，a.以美国、加拿大(UL、CSA) 为代表的北美标准体系，日韩的标准也属于该体系。

b.以英国、德国(BS、VDE）为代表的IEC国际电工委员会标准体系，我国的相关国家标准以及CCC认证都属于IEC体系。

这两个主要的认证标准体系在部分熔断参数的定义是不兼容的，是否有兼容的标准，兼容标准是否适用于全部地区，需要结合Fuse生产商、认证机构或市场人员进行调研。

认证标准体系的选取主要依据是相应产品的目标市场，因为Fuse属于安全元件，直接关系到电气设备的安全性问题，无认证或认证体系错误，有可能影响在对应地区的销售，尤其是国外市场。

该项为安全性选项，具有强制性。

2、安装方式和体积的选取因为在现有设计中，选取Fuse基本属于安全电压、电子类、部分范围分断能力的Fuse，上述都是隐性参数可以忽略，因此主要是按照安装方式和体积（封装尺寸）、熔断速度等类别进行选取。