高功率高温应用对功率电子系统产生了更高的要求，当元件如功率场效应电晶体(powerFET)、电容、电阻或积体电路(IC)因长期暴露在严苛环境中而故障时，便很容易发生严重的热问题。

提高功率元件性能、使用更均匀散热的设计技术、以及使用新的散热片材料，是建议可用于增强热管理性能的一些解决方案。不过，许多设计者目前仍依赖二级保护元件来防止因功率元件故障或腐蚀，导致因过热而产生的热失控。

最常用的方法是使用热熔丝/热切断(TCO)或热开关。这些元件都能为设计者提供交流和直流应用所需的广泛精准温度启动特性，但它们也带来了电路板组装过程中的一些问题。因为越来越多的印刷电路板(PCB)只使用表面黏着元件(SMD)，使用一个插件式元件可能意味着需要专门的安装工艺、额外的成本和复杂性。此外，标准元件可能无法提供汽车应用所需的耐用性和可靠性，能够用于汽车环境的元件必须经过完全的测试，可以满足严厉的冲击和振动规范，并提供合适的直流额定值。

综合上面所述，市场需要一种强健可靠的SMD元件，它能够防止因故障功率元件而导致的热损坏，为了因应此一需求，泰科电子最近推出了可回流的热保护(RTP)元件。这种二级热保护元件可用来替代汽车和工业电子设计中常用的冗余powerFET、继电器以及额外厚重的散热片。

《图一 阻性模式下的PowerFET故障可能产生不安全的过热》

严苛环境中的powerFET故障

在严苛的汽车工作环境中，powerFET常常会暴露在极端温度变化和热机械应力之下。间歇短路、冷操作环境、高电弧放电或带杂讯短路、以及感性负载和多次短路会在一段时间后造成元件疲损，使元件出现开路、短路或阻性模式下的故障。

尽管现有的powerFET越来越耐用，但如果电压超过其额定值，很快就会出现故障状况。如果电压超过powerFET的最大工作电压，它就会进入雪崩击穿状态。如果暂态过电压所包含的能量高于额定雪崩能量水准，那么元件将损坏；造成破坏性热事件，最终可能导致元件冒烟、起火或脱焊。

与安装在不是很苛刻的应用中的元件相比，汽车环境中的powerFET更容易出现疲损和故障。透过比对一段时间内的powerFET失效率，我们发现在严苛环境条件(比如汽车应用)下的元件的ppm故障率要高出许多。实地使用五年后，这种差别可达10倍以上。

尽管一个powerFET可能通过最初测​​试，但证明显示，在某些条件下，元件中的随机薄弱点可能导致元件在实际使用中出现故障。即使powerFET在规定工作条件下运行，也会出现随机、不可预测并且呈现不同阻值的阻性短路。阻性模式故障尤其值得关注，这不仅是相对于powerFET而言，印刷电路板也一样。仅10W的功率就可能产生温度在180℃以上的局部热点，远远高于典型的印刷电路板玻璃跃变温度(135℃)，造成电路板的环氧结构损坏，并产生热故障事件。

图一描述的场景，是一个出现故障的powerFET可能并不会产生短路过流情况，而是产生阻性短路，并通过I2R加热产生不安全的温度。在这种情况下，所产生的电流可能并高到足以熔断一个标准熔丝，来阻止印刷电路板出现热故障。

可回流的热保护解决方案

当某个功率元件故障或电路板缺陷产生不安全的过温情况时，RTP元件将在200℃时(该温度高于正常工作温度，但低于无铅(Pb)焊料回流焊温度)断开并中断电流，阻止可能带来重大损坏的热失控。

如图二所示，当RTP元件串接在FET附近的电源线上时，它会追踪FET温度，在缓慢的热失控在电路板上产生不希望的热故障之前断开电路。

《图二 在缓慢的热失控情况下，RTP200组件会追踪powerFET温度，当达到200℃时断开电路》

保护冷却风扇模组避免因热失控而受损

冷却风扇模组(CFM)是汽车HVAC和发动机冷却系统的一个重要模组，用于冷却发动机，防止发动机在特殊情况下(比如高温天气和上陡坡时)出现过热。图3显示了RTP元件在CFM应用中的位置。 CFM模组通常位于引擎盖下，与乘客厢内的模组相比，它们面临更极端的温度变化。这种热应力会加速powerFET疲损，导致早期故障。引擎盖下的元件还可能暴露在液体环境中而出现腐蚀，并在印刷电路板上形成局部热点。

《图三 在CFM模块中使用RTP组件图》

一般情况下，CFM模组并不包括能在某些情况下进行板上诊断并自动向powerFET发出关闭讯号的微控制器。所以我们无法透过软体方法阻止powerFET发生故障，只能透过二级保护防止热失控引起危险的热事件。

RTP的工作原理

RTP元件的200℃断开温度有助于防止误保护，从而提高系统可靠性，因为该温度高于大部分正常工作的电子元件的正常工作温度范围，但低于常见无铅焊料熔点。所以，当旁边的元件在规定温度范围内工作时，RTP元件不会断开电路，但在元件脱焊和形成额外短路的潜在风险之前会断开电路。

为了能在现场200℃温度时断开，RTP元件使用一次性电子启动工艺以取得热敏特性。在实施启动程式之前，元件可以承受至少3次无铅回流焊而不断开。进行电子启动的时机由使用者决定，可在系统上电或系统测试时自动进行。

结语

RTP元件有助于防止因故障FET、电容、IC、电阻和其他可能损坏或腐蚀的功率元件引起的热失控造成的损坏。 RTP的热敏特性是非常有用的，因为在某些情况下，故障功率元件并不造成完全短路的过流条件，而是形成不会导致传统熔丝熔断的阻性短路。此类事件实际上还可能降低负载电流，但仍会产生不安全的热失控情况。 RTP元件可防止因短路和阻性短路情形而造成的损坏。

---泰科电子电路保护事业部EMEA业务总监---