电路保护器件：浪涌电阻排

深度解析

这篇文章对浪涌电阻排(surgeresistornetworks，也称为“linefeedresistors”或“LFR”)的市场、技术趋势、终端用户和主要制造商进行了评论。LFR是50亿美元的电路保护元件市场的组成部分，其中不包括模块和黑匣子市场，但包括过电压和过电流保护元件的销售额，过电压保护元件是本文的内容ZD。过电压保护元件包括多种器件，如硅雪崩二极管、齐纳二极管、晶闸管、金属氧化物变阻器、气体放电管、浪涌电阻排和缓冲器类型的电容器等。

这些器件保护电子电路不受瞬变现象的影响。负载切换，以及多触点、双绞线和同轴电缆上面的瞬间阻抗均可导致瞬变现象。电阻网络包括传统的厚膜钌氧化铝(rutheniumonalumina)单阻值阻排；传统的厚膜电阻/电容器网络(RC)；多片状电阻阵列，浪涌电阻排和集成无源器件(IPD)。本文的ZD是浪涌电阻排(LFR)，这类元件一直被用于保护ZX电话局中的话音与数据网络的次级用户线接口。

市场Zxin状况

LFR主要用于电信基础设施市场，因此，该市场需求的下滑严重打击了LFR产业。这种需求下降始于2000年10月，一直持续到2004年，在此期间需求是逐月下滑。2005年朗讯科技、北电网络、阿尔卡特、富士通、爱立信和诺基亚等主要电信基础设施设备供应商所反映的情况差不多，都称仍在受电信基础设施设备销售过多的影响。另一方面，思科在数据通讯网络方面的业务继续上升，显示Web领域增长，以及市场对于无线，而不是固定线路安装的兴趣较大。

晶闸管和气体放电管从电信领域获得的收入与LFR相同，从这点来说它们是LFR的姐妹元件，它们从2001年开始也经历了同样的下滑局面。但是，晶闸管和气体放电管在线电压保护领域较为普遍，而LFR需求主要来自电信领域。因此，LFR在经济萧条期间受到了沉重打击。还有一个因素加剧了LFR市场的下滑，即LFR尺寸较大(是为了符合Telcordia[BellCore1089]规格)，其电阻层需要含有大量的钯才能正常工作。这使得LFR非常昂贵，成为经济低迷时期主要电信基础设施厂商替换的头号目标。

在2001年以后，朗讯科技在全面削减成本之后，它的设计工程师明显在寻找能够符合BellCore1089规格的替代品。紧接着发生了两件事。Zda的LFR供应商MMC寻求被收购，后来被迫进行重组。2004年，MMC的资产Z终被卖给了Bourns公司，而第二大LFR供应商C-Mac公司被旭电所收购。不过旭电也开始为其LTCC业务及LFR业务寻找买家，因为这些业务不符合旭电的EMS模式。

在2004年第四季度，以及2005年第三季度，我们听说电信基础设施领域对于LFR的需求增长，这实际上是非常积极的迹象。坦率地说，我们发现电信应用过电压及过电流的600V认证产品销售额比去年同期增长了40%。这些都是Telcordia规格对于上升时间和响应要求Z为严格的元件，因此看来基础设施技术在继续发展，而且所需的元件Zda程度地满足了要求。另外值得指出的是，需求集中在600Vdc产品，进一步显示需求限于北美自由贸易协定(NAFTA)地区，因为欧洲使用额定电压为250V的元件。

浪涌电阻排的构成

浪涌电阻排主要由钯+银构成的厚膜电阻元件组成，而不是96%氧化铝基板电阻排中常规厚膜所使用的钌和ruthenatepyrochlore基板。因为必须使用钯以达到Telcordia规格对于抗雷击和TCR(电阻温度系数)的严格要求。基板主要是氧化铝，封装采用单列直插形式，具有2到10个电阻，每个电阻具有不同的阻值。浪涌电阻排广泛用作电池驱动的集成电路和联机卡中的周边电路的次级保护器件。联机卡用于数字话音和数据交换机之中。每个大型联机卡供应商不是从商业市场采购这些器件，就是自己生产，因为它们的成本很高(平均单价为1美元)。

由于厚膜电阻网络采用单列直插封装设计，更适合取放设备，能够提高终端用户的成本效益，因此被普遍用于数字话音与数据交换机之中。目前有向表面贴装方向发展的趋势，之所以采用这种设计，是因为在遭到过电压破坏时易于拆卸和更换。LFR的结构多种多样，我注意到市场上Z受欢迎的是八电阻配置LFR，它含有两个隔离的325.6欧姆厚膜电阻，两个3870欧姆厚膜电阻，两个10万欧姆电阻和两个20万欧姆电阻。这种流行的LFR配置还包含两个温度驱动的热熔丝。其封装是98%氧化铝基底，采用12针引线框。这种器件还含有两个额外的电路，以连接到电池供电的集成电路。这种设计还有许多变种，包含许多额外的功能和特点。

浪涌电阻排的“技术经济学”

额定功率各不相同，但在我们对于所研究的每种LFR产品进行的分析中，75℃和25℃产品受到注意。LFR中的每个单独的电阻都需要处理不同的额定功率，可能是0.25W或0.5W，也可能高达2.0W。当然，这方面也有多种变化，但我们注意到，这些要求对于市场中销售的多数产品来说非常典型。但是，有些利用LFR产品的变种来满足不同的要求，这被视为专门设计。

Z流行的浪涌电阻排的典型Zda耐压是100、1,000和1,500V，对雷涌防护的要求是1,000Vpk或2,500Vpk。一般认为厂商难以达到这些Telcordia要求，因此这限制了竞争者的数量，并提高了该产业的价值。为了满足这些Zda电压和快速上升时间的要求，对于TCR也有严格的要求，如网络中的任何电阻需要达到±100ppm/oC，工作在-40℃和+85℃的温度范围内。但在有些较大的设计中，TCR没有这么重要，规格也没有这么苛刻。我们注意到，当用于PABX设备之中和用于电源保护时，对于LFR的要求明显不太严格，因为有过多的电路保护层冗余。

对于TCR控制已经确定利用镀金属法来实现，大约是40%的银(在39~44%之间就足够了)，利用56~60%的钯可以严格控制每平方英寸的电阻，所采用的钯可以提供每平方英寸0.2~1.0欧姆的电阻。对于大于1.0欧姆/平方英寸的应用，必须采用比较传统的金属镀层(即氧化钌)，对于小于0.2欧姆/平方英寸的应用，浪涌电阻排将需要在镀层金属中装填玻璃，或者提高银的含量，但是，这将在一定程度上牺牲低TCR的特点。

在浪涌电阻排中采用如此高的钯装填，以及较大的物理尺寸，使钯成为这种设计的一个问题，因为钯的价格向来波动剧烈。为了增强浪涌电阻排的性能，在电阻体上面加一层耐火玻璃。这种封装确保产品在经过多次过电压冲击后仍能保持性能。这层釉还是良好的散热器，帮助散发脉冲能量。它还能防止在强烈的脉冲作用下银与钯之间发生氧化。浪涌电阻排结构中的基板材料通常是96%氧化铝合成物。

面向电信的浪涌应用的电阻网络，都内置热熔丝或者聚合物PTC热敏电阻，以便终端用户能够根据额外电流产生的热量断定网络什么时候经受住了一次电涌(基本与气体管的方式一样)。shou选的热熔丝主要是RaychemPolyswitch(大约85%的浪涌电阻排采用RaychemPolyswitch，这是一种聚合体热敏电阻)，但Bourns、Polytronics和Fuzetech等设计的其它产品也得到采用。其它产品也可单独购买，与浪涌电阻排配合使用，采用Tepro设计或IRC圆柱设计。一般而言，热熔丝必须在177oC激活，变化范围为±4oC。

浪涌电阻排还与气体放电管及晶闸管半导体技术有密切关系。气体管被普遍用于电信线卡的初级保护，应用场合包括电信的服务入口、为住宅和企业提供有线电视的台级连接。ZX局级晶闸管和气体管技术已被垂直整合成手持插入式模块，被模压在塑料之中以便于取放操作。气体管在各地的站级应用中很流行。晶闸管模块则在美国、以色列和日本较受欢迎。

替代性技术和方案

我们注意到两种替代性方案，diyi种是利用日本ShoeiElectronicMaterials生产的电阻膏，它引入了一种基于非贵金属的电阻系统，据称可以满足严格的Telcordia规格。该系统基于铜，因此除了原料成本(在这种情况下，铜的价格比钯便宜得多)以外，它的价格应该取决于与粉末沉积和制造膏相关的成本。其它替代性方案还包括英国TTGroup的子公司IRCCorporation所拥有的一种面向LFR应用的镍铬电阻，以及美国Tepro为T1线卡产品生产的绕线电阻。两种设计都是圆柱形的，都很坚固，能够达到Telcordia的要求。继电信产业在2001年下滑之后，电信基础设施设备制造商要求聚合体PTC熔丝厂商提出一种替代性解决方案，不需要利用LFR实现过电压保护。

面向次级线卡的合理的解决方案是在一个单一的模块或设计中提供过电压和过电流保护，而且模块的价格应该低于单独的分立元件。同时采用LTCC和FR4模块化的设计将采纳此类技术。FR4便于引入晶闸管技术，从而可节省大笔成本。但是，聚合体PTC和LFR功能必须是单独的元件。而且LFR的物理尺寸也首先限制了使用FR4模块化的好处。与之相对的是采用LTCC的方案更有意义，因为有可以共烧的相似的金属和陶瓷。

因此，将来可能利用LTCC模块技术实现模块化电路设计解决方案，以满足Telcordia/BellCore(1089)要求，而且其价格将低于所有分别购买的单独元件。这对于LTCC设计人员来说是很有吸引力的价格点，因为他们相信能够利用多个分层设计来实现这种设计。过去的一年，对于用于用户线接口卡上的所有电路保护元件的需求似乎都在增长，其中包括LFR、PPTC热敏电阻和晶闸管，以及相关的气体放电管。虽然增长是很好的迹象，但远低于2000年的销售额规模，而且五年来销售额没有太大的起色，增幅小得令人吃惊。

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2004-09-14