SMD 퓨즈를 사용하여 레이아웃 간소화, 제품 크기 감소, 견고성 향상 구현

열 활성화 방식 퓨즈는 가장 오래된 회로 보호 장치이며 아직도 널리 사용되고 있습니다. 이 장치는 사용법이 잘 알려져 있고, 신뢰도가 높으며 안정적이고, 규정 표준으로 인증됩니다. 그러나 최종 제품의 복잡성이 증가하고 크기가 축소됨에 따라, 설계자는 폼 팩터를 줄이고 조립품을 단순화하며 견고성을 개선하고 안전성을 더욱 향상시키기 위해 사용자 교체 가능한 퓨즈 및 퓨즈 홀더에 대한 대안이 필요합니다.

설계자는 성능 저하 없이 표면 실장 장치(SMD)를 대신 사용할 수 있습니다. SMD 퓨즈는 다양한 기술을 사용하여 고속 작동 및 지연형과 같은 필요한 모든 퓨즈 특성과 함께 열 기반 용단을 제공합니다.

이 기사에서는 용단, 회로 보호 및 설계 고려 사항에 대한 간략한 기본 지침이 제공됩니다. 그런 다음 Bourns의 SMD 퓨즈를 소개하며 기본 특성 및 응용 방식을 설명합니다.

기본 퓨즈 작동 범위

열 활성화 방식 퓨즈 링크가 있는 기존 퓨즈는 약 150년 전부터 사용되어 온, 가장 잘 알려지고 가장 직접적인 유형의 회로 보호 장치입니다. 과전류 발생으로부터 보호하는 단일 기능을 제공하므로 성능이 일관되고 안정적이며 작동 방식이 간단합니다. 이는 전류 레벨이 퓨즈의 설계에서 정해진 양을 초과하는 경우 회로의 경로를 확실하게 그리고 비가역적으로 개방하여 전류 흐름을 차단함으로써 이루어집니다.

기존의 퓨즈는 그래픽 표준에 따라 다양한 회로도 기호로 표시되며 설계, 치수 및 재료 면에서 정밀하게 제조된 금속 전선으로 구성됩니다(그림 1). 이 퓨즈 링크를 통과하는 전류가 사전 설정된 제한을 일정 시간 이상 초과하는 경우, 해당 링크가 자체 가열되면서 녹게 됩니다. 이 자체 가열은 링크의 저항을 통한 전류의 흐름으로 인한 옴 I²R 전력 손실의 직접적인 결과입니다.

그림 1: 사용하고 있는 표준에 따라 퓨즈가 다양한 회로도 기호 중 하나로 표시됩니다. (이미지 출처: ClipArtKey.com)

퓨즈는 잘 알려진 3AG 유형 소형 유리 카트리지(¼인치 지름 및 1¼인치 길이)를 포함한 다양한 포장 유형으로 제공됩니다. 판매업체는 각 퓨즈 및 전류 정격에 대해 과전류 값과 퓨즈 소자가 녹아 퓨즈를 통과하는 전류 흐름을 차단하기까지 필요한 누적 시간 사이의 관계를 표시하는 자세한 그래프를 제공합니다. 이를 I²t 정격이라고 하며, 전류 흐름으로부터 정해지는 이용 가능한 열 에너지로서 그 단위는 암페어²-초(A²s)입니다.

설계자가 사용하는 회로 보호 장치에 퓨즈만이 있는 것은 아닙니다. 전류 또는 전압의 과도한 서지를 제한, 차단, 션트 또는 "크로우바"하여 다른 형태의 보호를 제공하는 다른 수동 소자 장치도 있습니다. 하지만 이러한 장치 중 어느 것도 퓨즈와 같이 확실하고 비가역적인 전류 차단을 제공하지는 않습니다. 이러한 장치는 퓨즈의 기능을 대체하지는 않지만, 퓨즈가 적절한 보호 옵션이 아닌 경우 또는 기술적으로 의미가 있는 경우 퓨즈의 작동을 보완하는 데 사용할 수 있습니다. 널리 알려진 회로 보호 장치는 다음과 같습니다.

• 금속 산화 배리스터(MOV)
• 정비례 온도 계수(PTC) 서미스터
• 과도 전압 억제기(TVS) 다이오드
• 가스 방출 튜브(GDT)
• 고분자 PTC 리셋 가능 퓨즈

이러한 각 장치는 퓨즈와 마찬가지로 회로 보호를 제공하는 데 그 역할을 감당하지만, 기본 회로 차단을 위해서는 퓨즈 링크가 일관성, 직접 작용 및 비가역성을 포함한 특성의 조합으로 인해 많은 설계에서 그 역할과 기능을 유지합니다.

교체 가능 퓨즈 링크 이외의 요소

온도 퓨즈는 적절한 퓨즈 홀더 또는 소켓과 함께 사용될 때 현장에서 교체 가능한 장치로 간주되는 경우가 많이 있습니다. 그러나 사용자가 현장에서 이를 교체할 수 있도록 하는 것은 보통 불필요하며 많은 제품에 있어 바람직한 방법이 아닐 수 있습니다. 이는 휴대폰, 셋톱 박스, 소형 배터리 충전기, AC/DC 벽면 어댑터 및 장난감과 같은 저전력 제품, 전동 공구, 산업용 컨트롤러 및 소비자 발전기 등의 중간급 장치, 전기 자동차(EV) 충전기와 같은 더 높은 전력 시스템에 응용됩니다. 고려할 수 있는 시나리오는 다음과 같습니다.

• 전체 제품이 아닌 민감한 신호 경로를 가진 회로를 포함하여 더 큰 회로의 서로 다른 서브 회로를 보호하려면 정격이 다른 퓨즈가 필요할 수 있습니다.
• 퓨즈가 있는 장치가 스마트폰과 같이 주로 배터리 및 충전 회로를 보호하기 위해 퓨즈가 필요한 작고 밀폐된 제품일 수 있는데, 그런 경우 최종 사용자가 내부에 액세스할 수 있는 옵션이 없습니다.
• 안전의 면에서 생각해 볼 때, 기계공이 부주의로 전력 레일을 건드려서 자동차 섀시에 연결한 경우와 같이 퓨즈가 끊긴 확실한 이유를 알 수 없는 한, 수월하다는 이유만으로 퓨즈를 교체하는 것은 시간 낭비일 뿐 아니라 최악의 경우 위험할 수도 있습니다. 예를 들어 퓨즈가 리튬 기반 배터리 및 배터리 충전기 회로용 보호 회로의 한 부분인 경우, 퓨즈는 해당 기능을 위해 가장 중요한 소자입니다. 따라서 무작정 퓨즈를 교체하지 말고 퓨즈 "끊김"의 근본 원인을 찾는 것이 중요합니다.
• 퓨즈 홀더 및 그 접점은 부식, 진동 및 기타 작동 환경 요인으로 인한 신뢰성 문제를 추가합니다.
• 마지막으로 크기의 문제에 있어서는, 홀더 없이 납땜된 퓨즈가 pc 기판에서 더 작은 실장 및 낮은 프로파일을 갖추게 됩니다.

소형의 홀더 없는 퓨즈를 SMD로 구현하여 표준 기판 구성 및 납땜 장비를 사용하려면, 녹아서 전류 경로를 열게 되는 자체 가열 원리를 유지하면서 전선과 비슷한 퓨즈 링크가 있는 기존 퓨즈 이외의 요소를 고려해야 합니다.

현대 설계에서의 요구 사항을 충족하는 광범위한 SMD 퓨즈

Bourns는 여러 가지 재료, 기술, 공식 및 제조 기술을 혼합함으로써 다양한 범위의 전류 및 작동 전압에서 사용되는 열 기반 퓨즈 기능을 제공하는 SMD 퓨즈 제품군을 개발했습니다. Bourns의 SinglFuse SMD 퓨즈 제품 포트폴리오는 7가지의 서로 다른 퓨즈 구성 기술을 활용합니다. 이는 박막 스퍼터링, 박막 pc 기판, 다층 세라믹, 세라믹 구멍 래미네이트, 전선 코어 및 세라믹 큐브입니다(그림 2).

그림 2: SinglFuse 제품군은 SMC 퓨즈로만 구성되어 있지만, 제공하게 될 많은 전류 및 전압 조합을 구현하려면 7가지의 서로 다른 퓨즈 기술을 활용해야 합니다. (이미지 출처: Bourns)

광범위한 SinglFuse 포트폴리오는 이러한 다양한 기술과 구성 방식을 활용하여 퓨즈가 정격 전류, 정격 전압, 차단 용량, I²t 및 작동 온도와 같은 주요 파라미터에 걸쳐 광범위한 사양을 지닐 수 있도록 합니다. 또한 SinglFuse 제품은 UL, TUV 및 VDE를 준수하며 UL 248 및 IEC 60127 표준을 준수하므로 전반적인 제품 인증 과정이 수월합니다. 광범위한 온도에서 전체 사양과 안정적인 작동이 필요한 자동차 응용 제품의 경우와, 많은 자동차 규정 중 하나를 위해 또는 기타 열악한 작동 환경을 위해 AEC-Q200을 준수하는 퓨즈를 사용할 수 있습니다.

성능에 제한을 받지 않는 소형 SMD

어떤 경우에는 특히 SMD 패키지에서 더 작은 부품의 사용이 불가피하여 기능과 성능에 제한이 생기기도 합니다. 그러나 이와는 달리 SinglFuse는 눈에 거의 보이지 않는 0402(0.040인치 × 0.020인치, 1.0mm × 0.5mm)(낮은 전류 범위의 경우)부터 3812(0.150인치 × 0.100인치)(고용량 퓨즈의 경우)까지의 패키지 크기로 제공됩니다.

퓨즈 판매업체는 수년에 걸쳐 회로 요구 사항을 충족하는 고유한 속성이 있는 퓨즈 링크 장치의 특수 버전을 개발해 왔습니다. 이로 인해 SinglFuse 장치는 다음과 같은 다양한 응답 특성을 갖추고 있습니다.

• 고속 작동
• 고속 작동 정밀: 주요 사양에서 더 좁은 허용 오차 범위
• 지연형: 퓨즈의 전류 정격을 초과하는 일시적인 서지 전류 처리
• 시간 지연: 실제로 끊기기 전에 단기간의 전기 서지 허용
• 고 유입 전류: 과도한 시동 전류를 위해

이렇게 서로 다른 퓨즈의 "성격"과 관련된 전류 대 시간 프로파일의 사양은 각각의 규격서에 명시되어 있으며, 설계자가 이를 확인하여 해당 응용 제품에 가장 적합한 퓨즈를 선택해야 합니다.

성능 범위를 표시하는 극한 전류 정격

설계자는 광범위한 공칭 전류값에 걸쳐 SMD 퓨즈를 이용할 수 있습니다. 예를 들어 SF-2410FP0062T-2 고속 작동 정밀 SMD 퓨즈는 EIA 2410(6125 미터법) 실장 면적의 세라믹 튜브에 하우징되는데, 길이는 약 6mm, 직사각형 종단은 2.1mm × 2.6mm입니다(그림 3).

그림 3: Bourns SF-2410FP0062T-2는 직사각형 패키지의 고속 작동 정밀 SMD 퓨즈입니다. (이미지 출처: Bourns)

이 퓨즈는 125V AC/DC 작동을 위해 사양이 지정되어 있으며, 0.0012A²s의 통상 I²t 정격과 함께 62mA 공칭 정격을 지닙니다. 개략적인 요약 사양에는 퓨즈가 200%의 정격 전류에서 5초 이내에 개방된다고 표시되어 있는 한편, 사용자는 퓨즈 응답 시간의 주요 요인인 사전 아크 시간(그림 4) 및 I²t 정격(그림 5)을 정량화하는 성능 그래프에 대해 알고자 할 가능성이 높습니다. 설계자는 퓨즈가 정격 전류 내에서 작동할 때 약 6Ω의 저항으로 인해 퓨즈를 통한 IR 전압 강하(최대 40mV 미만)가 있음을 숙지해야 합니다.

그림 4: SF-2410FP0062T-2의 규격서에는 매우 낮은 전류에서 공칭 최대 값까지의 퓨즈의 사전 아크 시간에 대한 세부 정보가 포함되어 있으며, 이는 퓨즈의 응답 대 전류 프로파일을 정의하는 파라미터입니다. (이미지 출처: Bourns)

그림 5: SF-2410FP0062T-2 규격서에도 서로 다른 전류 수준에서 누적된 열 에너지에 대한 주요 I²t 프로파일이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Bourns)

최대 정격 전류의 250%에서 5초 이내에 열리도록 지정된 7A 장치인 SF-1206S700 지연형 퓨즈(그림 6)는 매우 다양한 범위와 성능 프로파일을 제공합니다.

그림 6: Bourns SF-1206S 계열 SF-1206S700 지연형 표면 실장 퓨즈는 최대 정격 전류의 250%에서 5초 이내에 열리도록 지정된 7A 장치입니다(이미지 출처: Bourns)

SF-1206S700은 SF-2410FP-T와는 다른 패키지 및 기술을 사용하며, 박막 구조로 인해 높이가 0.6mm에 불과한 3216(EIA 1206, 1.55mm × 3.1mm) 평면 패키지로 제공됩니다(그림 7). 저항이 7mΩ에 불과하므로 최대 전류에서 50mV 미만의 낮은 IR 강하를 보장합니다.

그림 7: 이 SF-1206S700 지연형 SMD 퓨즈의 컷어웨이는 이 장치를 만드는 데 사용되는 정교한 재료와 기술에 대한 힌트를 제공합니다. (이미지 출처: Bourns)

이 퓨즈의 규격서에 표시된 그래프는 SF-2410FP-T 62mA 퓨즈의 그래프와 비슷하지만, 이 퓨즈는 지연형 퓨즈이므로 “I²T 부하 경감 곡선 대 vs 리피터 유입 전류” 곡선도 요구되는데 이는 반복적인 전체 온/오프 회로 작동에서의 지연형 퓨즈 성능을 추가로 정의합니다.

그림 8: 지연형 퓨즈는 보통 반복되는 고 유입 전류 주기의 영향을 받기 때문에 SF-1206S700 규격서는 이러한 주기가 퓨즈 작동에 미치는 영향을 설명합니다. (이미지 출처: Bourns)

설계자가 직접 서로 다른 퓨즈를 유형, 정격 및 크기별로 평가하는 것이 유용하지만 그렇게 하기는 어렵습니다. 활성 부품(예: 연산 증폭기) 또는 수동 소자 부품(저항기, 표시기, 커패시터)와는 달리, 퓨즈는 일회성 장치로 효과적으로 자체 파괴가 일어나도록 해야 온전히 테스트될 수 있습니다. 결론적으로, 평가를 위해서는 퓨즈 값 및 유형을 여러 가지로 다양하게 보유하는 것이 좋습니다.

이 프로세스를 촉진하기 위해 Bourns는 신속한 시제품 제작 테스트용 SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab 키트를 제공합니다(그림 9). 여 키트는 0402, 0603 및 1206(1608 ~ 3216 미터법) 크기 패키지의 18 종류의 지연형 퓨즈 각 5개(총 90개)를 제공합니다. 이와 유사한 SF-FP-LAB1 키트는 0402 ~ 1206(1005 ~ 3216 미터법) 패키지의 고속 작동 정밀 퓨즈(32 종류 값 각 5개) 160개를 제공합니다.

그림 9: 퓨즈가 보통 테스트로 인해 자체 파괴되므로, 이러한 지연형 퓨즈용 SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab 키트와 같은 설계 키트는 크기, 실장, 열 문제, 성능 및 기타 문제를 평가하는 설계자의 작업을 간편하게 합니다. (이미지 출처: Bourns)

결론

개념적 단순성에도 불구하고 온도 퓨즈는 고급 열, 재료 및 제조 고려 사항을 기반으로 하는 정교한 수동 소자 전기 및 기계 부품입니다. 회로와 제품의 크기가 축소되면서 사용자가 퓨즈를 교체하는 것이 점점 비현실적이거나 현명하지 않거나 심지어 위험해짐에 따라, 다른 SMD 장치와 같이 다룰 수 있는 표면 실장 장치(SMD) 퓨즈가 반드시 필요하게 되었습니다. 이와 더불어 SMD 퓨즈는 조립 및 제조 공정을 단순화하고 진동 및 부식에 대한 설계의 취약성을 줄입니다.

앞서 살펴본 바와 같이, Bourns SinglFuse SMD 퓨즈 계열은 설계자에게 현대의 제품 및 PC 기판 제조 공정의 요구 사항을 충족하는 광범위한 과전류 보호 범위 및 유형을 제공합니다.

심화 학습

1. SinglFuse SMD 퓨즈 튜토리얼
2. Bourns SinglFuse SMD 퓨즈
3. Bourns 고속 작동 정밀 및 시간 지연 SinglFuse SMD 퓨즈 설계 키트

참고 자료

1. IEEE 2007 전자 퓨즈 및 응용 제품 관련 국제 컨퍼런스(8차), “To the origins of fuses”