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電路保護(hù)器件：浪涌電阻排
這篇文章對浪涌電阻排(surge resistor networks,，也稱為“line feed resistors”或“LFR”)的市場、技術(shù)趨勢,、終端用戶和主要制造商進(jìn)行了評論,。LFR是50億美元的電路保護(hù)元件市場的組成部分，其中不包括模塊和黑匣子市場,，但包括過電壓和過電流保護(hù)元件的銷售額,，過電壓保護(hù)元件是本文的內(nèi)容重點。過電壓保護(hù)元件包括多種器件,，如硅雪崩二極管,、齊納二極管、晶閘管,、金屬氧化物變阻器,、氣體放電管、浪涌電阻排和緩沖器類型的電容器等,。
這些器件保護(hù)電子電路不受瞬變現(xiàn)象的影響,。負(fù)載切換，以及多觸點,、雙絞線和同軸電纜上面的瞬間阻抗均可導(dǎo)致瞬變現(xiàn)象,。電阻網(wǎng)絡(luò)包括傳統(tǒng)的厚膜釕氧化鋁(ruthenium on alumina)單阻值阻排；傳統(tǒng)的厚膜電阻/電容器網(wǎng)絡(luò)(RC),；多片狀電阻陣列,，浪涌電阻排和集成無源器件(IPD)。本文的重點是浪涌電阻排(LFR),，這類元件一直被用于保護(hù)中心局中的話音與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的次級用戶線接口,。
市場狀況
LFR主要用于電信基礎(chǔ)設(shè)施市場，因此,，該市場需求的下滑嚴(yán)重打擊了LFR產(chǎn)業(yè),。這種需求下降始于2000年10月，一直持續(xù)到2004年,，在此期間需求是逐月下滑,。2005年朗訊科技、北電網(wǎng)絡(luò),、阿爾卡特,、富士通、愛立信和諾基亞等主要電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備供應(yīng)商所反映的情況差不多,，都稱仍在受電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備銷售過多的影響,。另一方面,，思科在數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)方面的業(yè)務(wù)繼續(xù)上升，顯示W(wǎng)eb領(lǐng)域增長,，以及市場對于無線,，而不是固定線路安裝的興趣較大。
晶閘管和氣體放電管從電信領(lǐng)域獲得的收入與LFR相同,，從這點來說它們是LFR的姐妹元件,，它們從2001年開始也經(jīng)歷了同樣的下滑局面。但是,，晶閘管和氣體放電管在線電壓保護(hù)領(lǐng)域較為普遍,，而LFR需求主要來自電信領(lǐng)域。因此,，LFR在經(jīng)濟(jì)蕭條期間受到了沉重打擊,。還有一個因素加劇了LFR市場的下滑，即LFR尺寸較大(是為了符合cordia [BellCore 1089]規(guī)格),，其電阻層需要含有大量的鈀才能正常工作,。這使得LFR非常昂貴，成為經(jīng)濟(jì)低迷時期主要電信基礎(chǔ)設(shè)施廠商替換的*目標(biāo),。
在2001年以后,，朗訊科技在全面削減成本之后，它的設(shè)計工程師明顯在尋找能夠符合BellCore 1089規(guī)格的替代品,。緊接著發(fā)生了兩件事,。zui大的LFR供應(yīng)商MMC尋求被收購，后來被迫進(jìn)行重組,。2004年,，MMC的資產(chǎn)zui終被賣給了Bourns公司，而第二大LFR供應(yīng)商C-Mac公司被旭電所收購,。不過旭電也開始為其LTCC業(yè)務(wù)及LFR業(yè)務(wù)尋找買家,，因為這些業(yè)務(wù)不符合旭電的EMS模式。
在2004年第四季度,，以及2005年第三季度,，我們聽說電信基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?qū)τ贚FR的需求增長，這實際上是非常積極的跡象,。坦率地說,，我們發(fā)現(xiàn)電信應(yīng)用過電壓及過電流的600V認(rèn)證產(chǎn)品銷售額比去年同期增長了40%。這些都是cordia規(guī)格對于上升時間和響應(yīng)要求zui為嚴(yán)格的元件,，因此看來基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)在繼續(xù)發(fā)展,，而且所需的元件zui大程度地滿足了要求。另外值得指出的是,，需求集中在600Vdc產(chǎn)品,，進(jìn)一步顯示需求限于北美自由貿(mào)易協(xié)定(NAFTA)地區(qū),，因為歐洲使用額定電壓為250V的元件。
浪涌電阻排的構(gòu)成
浪涌電阻排主要由鈀+銀構(gòu)成的厚膜電阻元件組成,，而不是96%氧化鋁基板電阻排中常規(guī)厚膜所使用的釕和ruthenate pyrochlore基板,。因為必須使用鈀以達(dá)到cordia規(guī)格對于抗雷擊和TCR(電阻溫度系數(shù))的嚴(yán)格要求?；逯饕茄趸X,，封裝采用單列直插形式，具有2到10個電阻,，每個電阻具有不同的阻值。浪涌電阻排廣泛用作電池驅(qū)動的集成電路和聯(lián)機(jī)卡中的周邊電路的次級保護(hù)器件,。聯(lián)機(jī)卡用于數(shù)字話音和數(shù)據(jù)交換機(jī)之中,。每個大型聯(lián)機(jī)卡供應(yīng)商不是從商業(yè)市場采購這些器件，就是自己生產(chǎn),，因為它們的成本很高(平均單價為1美元),。
由于厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)采用單列直插封裝設(shè)計，更適合取放設(shè)備,，能夠提高終端用戶的成本效益,，因此被普遍用于數(shù)字話音與數(shù)據(jù)交換機(jī)之中。目前有向表面貼裝方向發(fā)展的趨勢,，之所以采用這種設(shè)計,，是因為在遭到過電壓破壞時易于拆卸和更換。LFR的結(jié)構(gòu)多種多樣,，我注意到市場上的是八電阻配置LFR,，它含有兩個隔離的325.6歐姆厚膜電阻，兩個3870歐姆厚膜電阻,，兩個10萬歐姆電阻和兩個20萬歐姆電阻,。這種流行的LFR配置還包含兩個溫度驅(qū)動的熱熔絲。其封裝是98%氧化鋁基底,，采用12針引線框,。這種器件還含有兩個額外的電路，以連接到電池供電的集成電路,。這種設(shè)計還有許多變種,，包含許多額外的功能和特點。
浪涌電阻排的“技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)”
額定功率各不相同,，但在我們對于所研究的每種LFR產(chǎn)品進(jìn)行的分析中,，75℃和25℃產(chǎn)品受到注意。LFR中的每個單獨的電阻都需要處理不同的額定功率,，可能是0.25W或0.5W,，也可能高達(dá)2.0W,。當(dāng)然，這方面也有多種變化,，但我們注意到,，這些要求對于市場中銷售的多數(shù)產(chǎn)品來說非常典型。但是,，有些利用LFR產(chǎn)品的變種來滿足不同的要求,，這被視為專門設(shè)計。
zui流行的浪涌電阻排的典型zui大耐壓是100,、1,000和1,500V,，對雷涌防護(hù)的要求是1,000Vpk或2,500Vpk。一般認(rèn)為廠商難以達(dá)到這些cordia要求,，因此這限制了競爭者的數(shù)量,，并提高了該產(chǎn)業(yè)的價值。為了滿足這些zui大電壓和快速上升時間的要求,，對于TCR也有嚴(yán)格的要求,，如網(wǎng)絡(luò)中的任何電阻需要達(dá)到±100ppm/oC，工作在-40℃和+85℃的溫度范圍內(nèi),。但在有些較大的設(shè)計中,，TCR沒有這么重要，規(guī)格也沒有這么苛刻,。我們注意到,，當(dāng)用于PABX設(shè)備之中和用于電源保護(hù)時，對于LFR的要求明顯不太嚴(yán)格,，因為有過多的電路保護(hù)層冗余,。
對于TCR控制已經(jīng)確定利用鍍金屬法來實現(xiàn)，大約是40%的銀(在39~44%之間就足夠了),，利用56~60%的鈀可以嚴(yán)格控制每平方英寸的電阻,，所采用的鈀可以提供每平方英寸0.2~1.0歐姆的電阻。對于大于1.0歐姆/平方英寸的應(yīng)用,，必須采用比較傳統(tǒng)的金屬鍍層(即氧化釕),，對于小于0.2歐姆/平方英寸的應(yīng)用，浪涌電阻排將需要在鍍層金屬中裝填玻璃,，或者提高銀的含量,，但是，這將在一定程度上犧牲低TCR的特點,。
在浪涌電阻排中采用如此高的鈀裝填,，以及較大的物理尺寸，使鈀成為這種設(shè)計的一個問題,，因為鈀的價格向來波動劇烈,。為了增強(qiáng)浪涌電阻排的性能,，在電阻體上面加一層耐火玻璃。這種封裝確保產(chǎn)品在經(jīng)過多次過電壓沖擊后仍能保持性能,。這層釉還是良好的散熱器,，幫助散發(fā)脈沖能量。它還能防止在強(qiáng)烈的脈沖作用下銀與鈀之間發(fā)生氧化,。浪涌電阻排結(jié)構(gòu)中的基板材料通常是96%氧化鋁合成物,。
面向電信的浪涌應(yīng)用的電阻網(wǎng)絡(luò)，都內(nèi)置熱熔絲或者聚合物PTC熱敏電阻,，以便終端用戶能夠根據(jù)額外電流產(chǎn)生的熱量斷定網(wǎng)絡(luò)什么時候經(jīng)受住了一次電涌(基本與氣體管的方式一樣),。的熱熔絲主要是Raychem Polyswitch(大約85%的浪涌電阻排采用Raychem Polyswitch，這是一種聚合體熱敏電阻),，但Bourns,、Polytronics和Fuzetech等設(shè)計的其它產(chǎn)品也得到采用。其它產(chǎn)品也可單獨購買,，與浪涌電阻排配合使用，采用Tepro設(shè)計或IRC圓柱設(shè)計,。一般而言,，熱熔絲必須在177oC激活，變化范圍為±4oC,。
浪涌電阻排還與氣體放電管及晶閘管半導(dǎo)體技術(shù)有密切關(guān)系,。氣體管被普遍用于電信線卡的初級保護(hù)，應(yīng)用場合包括電信的服務(wù)入口,、為住宅和企業(yè)提供有線電視的臺級連接,。中心局級晶閘管和氣體管技術(shù)已被垂直整合成手持插入式模塊，被模壓在塑料之中以便于取放操作,。氣體管在各地的站級應(yīng)用中很流行,。晶閘管模塊則在美國、以色列和日本較受歡迎,。
替代性技術(shù)和方案
我們注意到兩種替代性方案,，*種是利用日本Shoei Electronic Materials生產(chǎn)的電阻膏，它引入了一種基于非貴金屬的電阻系統(tǒng),，據(jù)稱可以滿足嚴(yán)格的cordia規(guī)格,。該系統(tǒng)基于銅，因此除了原料成本(在這種情況下,，銅的價格比鈀便宜得多)以外,，它的價格應(yīng)該取決于與粉末沉積和制造膏相關(guān)的成本。其它替代性方案還包括英國TT Group的子公司IRC Corporation所擁有的一種面向LFR應(yīng)用的鎳鉻電阻,，以及美國Tepro為T1線卡產(chǎn)品生產(chǎn)的繞線電阻,。兩種設(shè)計都是圓柱形的,，都很堅固，能夠達(dá)到cordia的要求,。繼電信產(chǎn)業(yè)在2001年下滑之后,，電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備制造商要求聚合體PTC熔絲廠商提出一種替代性解決方案，不需要利用LFR實現(xiàn)過電壓保護(hù),。
面向次級線卡的合理的解決方案是在一個單一的模塊或設(shè)計中提供過電壓和過電流保護(hù),，而且模塊的價格應(yīng)該低于單獨的分立元件。同時采用LTCC和FR4模塊化的設(shè)計將采納此類技術(shù),。FR4便于引入晶閘管技術(shù),，從而可節(jié)省大筆成本。但是,，聚合體PTC和LFR功能必須是單獨的元件,。而且LFR的物理尺寸也首先限制了使用FR4模塊化的好處。與之相對的是采用LTCC的方案更有意義,，因為有可以共燒的相似的金屬和陶瓷,。
因此，將來可能利用LTCC模塊技術(shù)實現(xiàn)模塊化電路設(shè)計解決方案,，以滿足cordia/BellCore(1089)要求,，而且其價格將低于所有分別購買的單獨元件。這對于LTCC設(shè)計人員來說是很有吸引力的價格點,，因為他們相信能夠利用多個分層設(shè)計來實現(xiàn)這種設(shè)計,。過去的一年，對于用于用戶線接口卡上的所有電路保護(hù)元件的需求似乎都在增長,，其中包括LFR,、PPTC熱敏電阻和晶閘管，以及相關(guān)的氣體放電管,。雖然增長是很好的跡象,，但遠(yuǎn)低于2000年的銷售額規(guī)模，而且五年來銷售額沒有太大的起色,，增幅小得令人吃驚,。