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電路保護(hù)器件：浪涌電阻排
這篇文章對(duì)浪涌電阻排(surge resistor networks，也稱(chēng)為“line feed resistors”或“LFR”)的市場(chǎng)、技術(shù)趨勢(shì)、終端用戶(hù)和主要制造商進(jìn)行了評(píng)論。LFR是50億美元的電路保護(hù)元件市場(chǎng)的組成部分，其中不包括模塊和黑匣子市場(chǎng)，但包括過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)元件的銷(xiāo)售額，過(guò)電壓保護(hù)元件是本文的內(nèi)容重點(diǎn)。過(guò)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(lèi)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(diǎn)、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(wú)源器件(IPD)。本文的重點(diǎn)是浪涌電阻排(LFR)，這類(lèi)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(jí)用戶(hù)線接口。
市場(chǎng)狀況
LFR主要用于電信基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)，因此，該市場(chǎng)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(ài)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(chēng)仍在受電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備銷(xiāo)售過(guò)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(zhǎng)，以及市場(chǎng)對(duì)于無(wú)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(diǎn)來(lái)說(shuō)它們是LFR的姐妹元件，它們從2001年開(kāi)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(lái)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(gè)因素加劇了LFR市場(chǎng)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(shí)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(jì)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(gòu)，后來(lái)被迫進(jìn)行重組。2004年，MMC的資產(chǎn)zui終被賣(mài)給了Bourns公司，而第二大LFR供應(yīng)商C-Mac公司被旭電所收購(gòu)。不過(guò)旭電也開(kāi)始為其LTCC業(yè)務(wù)及LFR業(yè)務(wù)尋找買(mǎi)家，因?yàn)檫@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(tīng)說(shuō)電信基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?qū)τ贚FR的需求增長(zhǎng)，這實(shí)際上是非常積極的跡象。坦率地說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)電信應(yīng)用過(guò)電壓及過(guò)電流的600V認(rèn)證產(chǎn)品銷(xiāo)售額比去年同期增長(zhǎng)了40%。這些都是cordia規(guī)格對(duì)于上升時(shí)間和響應(yīng)要求zui為嚴(yán)格的元件，因此看來(lái)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(mǎn)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?yàn)闅W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?yàn)楸仨毷褂免Z以達(dá)到cordia規(guī)格對(duì)于抗雷擊和TCR(電阻溫度系數(shù))的嚴(yán)格要求。基板主要是氧化鋁，封裝采用單列直插形式，具有2到10個(gè)電阻，每個(gè)電阻具有不同的阻值。浪涌電阻排廣泛用作電池驅(qū)動(dòng)的集成電路和聯(lián)機(jī)卡中的周邊電路的次級(jí)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(gè)大型聯(lián)機(jī)卡供應(yīng)商不是從商業(yè)市場(chǎng)采購(gòu)這些器件，就是自己生產(chǎn)，因?yàn)樗鼈兊某杀竞芨?平均單價(jià)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(jì)，更適合取放設(shè)備，能夠提高終端用戶(hù)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(shì)，之所以采用這種設(shè)計(jì)，是因?yàn)樵谠獾竭^(guò)電壓破壞時(shí)易于拆卸和更換。LFR的結(jié)構(gòu)多種多樣，我注意到市場(chǎng)上的是八電阻配置LFR，它含有兩個(gè)隔離的325.6歐姆厚膜電阻，兩個(gè)3870歐姆厚膜電阻，兩個(gè)10萬(wàn)歐姆電阻和兩個(gè)20萬(wàn)歐姆電阻。這種流行的LFR配置還包含兩個(gè)溫度驅(qū)動(dòng)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(gè)額外的電路，以連接到電池供電的集成電路。這種設(shè)計(jì)還有許多變種，包含許多額外的功能和特點(diǎn)。
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(duì)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(gè)單獨(dú)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(duì)于市場(chǎng)中銷(xiāo)售的多數(shù)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)非常典型。但是，有些利用LFR產(chǎn)品的變種來(lái)滿(mǎn)足不同的要求，這被視為專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。
zui流行的浪涌電阻排的典型zui大耐壓是100、1,000和1,500V，對(duì)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(jìng)爭(zhēng)者的數(shù)量，并提高了該產(chǎn)業(yè)的價(jià)值。為了滿(mǎn)足這些zui大電壓和快速上升時(shí)間的要求，對(duì)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(jì)中，TCR沒(méi)有這么重要，規(guī)格也沒(méi)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(shí)，對(duì)于LFR的要求明顯不太嚴(yán)格，因?yàn)橛羞^(guò)多的電路保護(hù)層冗余。
對(duì)于TCR控制已經(jīng)確定利用鍍金屬法來(lái)實(shí)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(duì)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(duì)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(diǎn)。
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(jì)的一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)殁Z的價(jià)格向來(lái)波動(dòng)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(guò)多次過(guò)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(hù)能夠根據(jù)額外電流產(chǎn)生的熱量斷定網(wǎng)絡(luò)什么時(shí)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(jì)的其它產(chǎn)品也得到采用。其它產(chǎn)品也可單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)，與浪涌電阻排配合使用，采用Tepro設(shè)計(jì)或IRC圓柱設(shè)計(jì)。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(jí)保護(hù)，應(yīng)用場(chǎng)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(tái)級(jí)連接。中心局級(jí)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(jí)應(yīng)用中很流行。晶閘管模塊則在美國(guó)、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(chēng)可以滿(mǎn)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(jià)格比鈀便宜得多)以外，它的價(jià)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(guó)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(guó)Tepro為T(mén)1線卡產(chǎn)品生產(chǎn)的繞線電阻。兩種設(shè)計(jì)都是圓柱形的，都很堅(jiān)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(shí)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)。
面向次級(jí)線卡的合理的解決方案是在一個(gè)單一的模塊或設(shè)計(jì)中提供過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)，而且模塊的價(jià)格應(yīng)該低于單獨(dú)的分立元件。同時(shí)采用LTCC和FR4模塊化的設(shè)計(jì)將采納此類(lèi)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(dú)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(duì)的是采用LTCC的方案更有意義，因?yàn)橛锌梢怨矡南嗨频慕饘俸吞沾伞?nbsp;
因此，將來(lái)可能利用LTCC模塊技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊化電路設(shè)計(jì)解決方案，以滿(mǎn)足cordia/BellCore(1089)要求，而且其價(jià)格將低于所有分別購(gòu)買(mǎi)的單獨(dú)元件。這對(duì)于LTCC設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是很有吸引力的價(jià)格點(diǎn)，因?yàn)樗麄兿嘈拍軌蚶枚鄠€(gè)分層設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)。過(guò)去的一年，對(duì)于用于用戶(hù)線接口卡上的所有電路保護(hù)元件的需求似乎都在增長(zhǎng)，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(zhǎng)是很好的跡象，但遠(yuǎn)低于2000年的銷(xiāo)售額規(guī)模，而且五年來(lái)銷(xiāo)售額沒(méi)有太大的起色，增幅小得令人吃驚。