高功率高溫應用對功率電子系統產生了更高的要求，當元件如功率場效應電晶體(powerFET)、電容、電阻或積體電路(IC)因長期暴露在嚴苛環境中而故障時，便很容易發生嚴重的熱問題。

提高功率元件性能、使用更均勻散熱的設計技術、以及使用新的散熱片材料，是建議可用於增強熱管理性能的一些解決方案。不過，許多設計者目前仍依賴二級保護元件來防止因功率元件故障或腐蝕，導致因過熱而產生的熱失控。

最常用的方法是使用熱熔絲/熱切斷(TCO)或熱開關。這些元件都能為設計者提供交流和直流應用所需的廣泛精準溫度啟動特性，但它們也帶來了電路板組裝過程中的一些問題。因為越來越多的印刷電路板(PCB)只使用表面黏著元件(SMD)，使用一個插件式元件可能意味著需要專門的安裝工藝、額外的成本和複雜性。此外，標準元件可能無法提供汽車應用所需的耐用性和可靠性，能夠用於汽車環境的元件必須經過完全的測試，可以滿足嚴厲的衝擊和振動規範，並提供合適的直流額定值。

綜合上面所述，市場需要一種強健可靠的SMD元件，它能夠防止因故障功率元件而導致的熱損壞，為了因應此一需求，泰科電子最近推出了可回流的熱保護(RTP)元件。這種二級熱保護元件可用來替代汽車和工業電子設計中常用的冗餘powerFET、繼電器以及額外厚重的散熱片。

《圖一　阻性模式下的PowerFET故障可能產生不安全的過熱》

嚴苛環境中的powerFET故障

在嚴苛的汽車工作環境中，powerFET常常會暴露在極端溫度變化和熱機械應力之下。間歇短路、冷操作環境、高電弧放電或帶雜訊短路、以及感性負載和多次短路會在一段時間後造成元件疲損，使元件出現開路、短路或阻性模式下的故障。

儘管現有的powerFET越來越耐用，但如果電壓超過其額定值，很快就會出現故障狀況。如果電壓超過powerFET的最大工作電壓，它就會進入雪崩擊穿狀態。如果暫態過電壓所包含的能量高於額定雪崩能量水準，那麼元件將損壞；造成破壞性熱事件，最終可能導致元件冒煙、起火或脫焊。

與安裝在不是很苛刻的應用中的元件相比，汽車環境中的powerFET更容易出現疲損和故障。透過比對一段時間內的powerFET失效率，我們發現在嚴苛環境條件(比如汽車應用)下的元件的ppm故障率要高出許多。實地使用五年後，這種差別可達10倍以上。

儘管一個powerFET可能通過最初測試，但證明顯示，在某些條件下，元件中的隨機薄弱點可能導致元件在實際使用中出現故障。即使powerFET在規定工作條件下運行，也會出現隨機、不可預測並且呈現不同阻值的阻性短路。阻性模式故障尤其值得關注，這不僅是相對於powerFET而言，印刷電路板也一樣。僅10W的功率就可能產生溫度在180℃以上的局部熱點，遠遠高於典型的印刷電路板玻璃躍變溫度(135℃)，造成電路板的環氧結構損壞，並產生熱故障事件。

圖一描述的場景，是一個出現故障的powerFET可能並不會產生短路過流情況，而是產生阻性短路，並通過I2R加熱產生不安全的溫度。在這種情況下，所產生的電流可能並高到足以熔斷一個標準熔絲，來阻止印刷電路板出現熱故障。

可回流的熱保護解決方案

當某個功率元件故障或電路板缺陷產生不安全的過溫情況時，RTP元件將在200℃時(該溫度高於正常工作溫度，但低於無鉛(Pb)焊料回流焊溫度)斷開並中斷電流，阻止可能帶來重大損壞的熱失控。

如圖二所示，當RTP元件串接在FET附近的電源線上時，它會追蹤FET溫度，在緩慢的熱失控在電路板上產生不希望的熱故障之前斷開電路。

《圖二　在緩慢的熱失控情況下，RTP200元件會追蹤powerFET溫度，當達到200℃時斷開電路》

保護冷卻風扇模組避免因熱失控而受損

冷卻風扇模組(CFM)是汽車HVAC和發動機冷卻系統的一個重要模組，用於冷卻發動機，防止發動機在特殊情況下(比如高溫天氣和上陡坡時)出現過熱。圖3顯示了RTP元件在CFM應用中的位置。CFM模組通常位於引擎蓋下，與乘客廂內的模組相比，它們面臨更極端的溫度變化。這種熱應力會加速powerFET疲損，導致早期故障。引擎蓋下的元件還可能暴露在液體環境中而出現腐蝕，並在印刷電路板上形成局部熱點。

《圖三　在CFM模組中使用RTP元件圖》

一般情況下，CFM模組並不包括能在某些情況下進行板上診斷並自動向powerFET發出關閉訊號的微控制器。所以我們無法透過軟體方法阻止powerFET發生故障，只能透過二級保護防止熱失控引起危險的熱事件。

RTP的工作原理

RTP元件的200℃斷開溫度有助於防止誤保護，從而提高系統可靠性，因為該溫度高於大部分正常工作的電子元件的正常工作溫度範圍，但低於常見無鉛焊料熔點。所以，當旁邊的元件在規定溫度範圍內工作時，RTP元件不會斷開電路，但在元件脫焊和形成額外短路的潛在風險之前會斷開電路。

為了能在現場200℃溫度時斷開，RTP元件使用一次性電子啟動工藝以取得熱敏特性。在實施啟動程式之前，元件可以承受至少3次無鉛回流焊而不斷開。進行電子啟動的時機由使用者決定，可在系統上電或系統測試時自動進行。

結語

RTP元件有助於防止因故障FET、電容、IC、電阻和其他可能損壞或腐蝕的功率元件引起的熱失控造成的損壞。RTP的熱敏特性是非常有用的，因為在某些情況下，故障功率元件並不造成完全短路的過流條件，而是形成不會導致傳統熔絲熔斷的阻性短路。此類事件實際上還可能降低負載電流，但仍會產生不安全的熱失控情況。RTP元件可防止因短路和阻性短路情形而造成的損壞。

---泰科電子電路保護事業部EMEA業務總監---