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PPTC保护器件及其应用

发布时间:2008-10-23

中心论题:

  • PPTC工作原理
  • PPTC在无线电子产品、电池组、充电器、电源转换器及变压器中的应用

解决方案:

  • PPTC器件和电压过载保护器件相互配合保护无线电子产品
  • PPTC电池保护器件和电池组里面的原电池串联保护电池组
  • PPTC器件,可一劳永逸保护CLA电路
  • 将PPTC器件串联在变压器的次级绕组上可保护AC/DC电源转换器
  • 将PPTC器件安装在变压器的原边可保护变压器

 

PPTC是Polymeric Positive Temperature Coefficient的缩写,PPTC器件即高分子聚合物正温度系数器件,该器件能在电流浪涌过大、温度过高时对电路起保护作用。使用时,将其串接在电路中,在正常情况下,其阻值很小,损耗也很小,不影响电路正常工作;但若有过流(如短路)发生,其温度升高,它的阻值随之急剧升高,达到限制电流的作用,避免损坏电路中的元器件。当故障排除后,PPTC器件的温度自动下降,又恢复到低阻状态,因此PPTC器件又称为可复性保险丝。

下面分别介绍PPTC器件在无线电子产品、电池组、充电器、电源转换器及变压器中的应用。 

保护无线电子产品的电路
无线电子产品(如移动电话、PDA),无论是在直接供电还是充电时,都需要AC/DC电源转换器将电网电压或是未经稳压的直流电压转换成一个较低电平的直流电压。随着AC/DC电源转换器配件及各种通用充电器纷纷进入市场,如选用不合适的AC/DC电源转换器,其输出电压、电流、极性可能会超出或违背电子产品本身的内部电路规范,因此可能损坏电路甚至引起安全问题。鉴于此,对电路的保护就更加重要。

常用的电路保护方法是使用一次性熔断丝或是使用专用接插件。一次性熔丝虽比较便宜,但它只能用一次,同时容易产生误动作。如使用专用接插件,通常只需数天,其他配件制造商就能仿制出同样的产品,仍会出现接插错误并可能引起严重的损坏,例如,通过增大组件的击穿电压以增大输出电流将会导致设备的功耗过高。

性能可靠的微型PPTC器件的出现,为体积小、质量轻的无线便携产品的电路保护提供了良好的解决方案。此外,在无线设备中出现的故障大多数是暂时性的,使用可恢复性PPTC保护器件还能避免不菲的产品保修成本。

将PPTC器件串联在电源接口处,或再并联一只限压器件,例如齐纳二极管、瞬态电压抑制二极管或电压过载保护器,就可避免不匹配的电源转换器所带来的损坏。

 
图1是一个典型的电池充电器的电路。


在该电路中,未经稳压的电源转换器直流输出电压经过稳压电路调制,转变成适当的电压对电池进行充电。PPTC器件和电压过载保护器件相互配合,可以对以下故障起保护作用:

(1)过流:过流可能会损坏功率FET或电池组。
  
(2)极性接反:这时二极管导通,PPTC器件进入高阻抗状态进行限流保护。
  
(3)过压:这时电压过载保护器件起作用,PPTC器件则限制电流。
  
(4)PPTC器件还可装在电池组的输入端,增加一层保护作用。如果设备是为耳机、汽车免提设备这类有源附件供电时,在电源输出端,也需要保护。

保护电池组
由滥充而引起的电池过温是电池组设计人员主要关心的问题。锂电池组中尽管有过压及过流检测安全保护电路(包括集成电路及MOSFET),仍需串联PPTC器件。因为在有过强的静电放电、温度过高以及短路的情况下半导体电路会出现故障。在电压保护电路失效而又没有温度保护的情况下,电池就会在过充或滥充时产生过多热量,使电池破裂、漏液、冒烟、甚至燃烧。

此外,对便携式产品工作时间的延长,推动人们去研制体积更小、质量更轻的锂离子和锂聚合物电池。为适应这些新型电池保护电路的要求,PPTC保护器件制造商也在减小器件的消耗方面不断努力。

瑞侃公司最近推出一种新型条状PPTC电池保护器件,与以往产品相比,可将电阻降低35%左右。该器件能同时起到过流保护及过温保护的作用,专为降低电池组阻抗、满足更长工作时间要求的便携式电子产品而设计。

通过将PPTC电池保护器件和电池组里面的原电池串联在一起,无论温升是由短路造成的还是由过充引起的,器件都可以发挥保护作用,无须热熔断丝或双金属断路器。此条状PPTC器件采用镍做引脚,尺寸又小又薄,可直接焊到原电池上,既节省空间,又降低安装费用(见图2)。


图2


 
保护CLA电路
点烟器电源转换器(CLA)的工作温度范围很宽,使其充电环境变化很大,这是因为汽车所处的环境很恶劣,而在电气方面的要求又很严格。CLA经常出现的故障主要有以下三种类型:

(1) 电流过大:将损坏充电器或者汽车电路。
  
(2) 充电器电路故障:将烧断充电器里的熔断丝或损坏汽车的电气线路。
  
(3) 极性接反:将损坏移动电话充电器的电路。

在CLA的输入端安装一只电流保护器件就可避免上述故障。终端设备的负载电流、CLA本身功率转换电路对故障的敏感程度,都是决定保护要求的主要因素。一般而言,在CLA的输入端,过流保护器件是与瞬态电压抑制二极管这类电压过载保护器件一起使用的。采用可恢复PPTC器件,可一劳永逸地保护电路,免去了用熔断丝时的更换烦劳,对厂商来说,则减少了退回保修的产品数量。

 
图3是常见的CLA的电路
 

在这个例子中,用一双PolySwitch系列保护器件和一只瞬变电压抑制(TVS)二极管在输入端提供保护作用。同时用一个由集成电路控制的降压DC/DC转换器进行电压转换及稳压。单独使用PPTC,或者与TVS二极管结合起来使用,都能自动防止由以下四种情况造成的损坏:

(1)负载电流过大。当出现故障时移动电话需要的电流过大,PPTC进入高阻抗状态,直到故障排除。
  
(2)转换器出现故障。如果转换器或起控制作用的集成电路出现故障,造成短路,这时PPTC保护器件进入高阻抗状态,保护汽车线路及熔断丝。
  
(3)发动机激活时的瞬变电压。在发动机激活时,发电机会产生瞬变电压尖脉冲。正常情况下,TVS二极管会把它抑制下去。但若瞬变电压幅度很大,可能超过TVS二极管的额定值。安装一只PPTC保护器件,在电流还末增大到会造成损坏时,器件就已进入高阻抗状态,防止对TVS二极管造成损坏。
  
(4)汽车电池极性接反。如果汽车电池的极性接反了,TVS二极管会正向导通,电流会通过PPTC保护器件,电流过大时,PPTC保护器件便进入高阻抗状态,限制加在TVS两端的正向电压。
  
在选择PPTC器件时,必须考虑到最大负载电流、最高环境温度及进入高阻抗状态所需要的时间,以防止损坏其它器件。

保护AC/DC电源转换器
AC/DC电源转换器对于安全和可靠性有它特定的要求,这与对短路电流的限制以及变压器绕组过热所需要的温度保护有关。如果绕组的温度超过绝缘材料的允许温度范围,绝缘层就会被破坏击穿,造成变压器内部短路,甚至起火。绕组温度过高的可能原因包括:环境温度过高、外部短路或输入电源出现波动。

在变压器绕组中采用热熔断丝进行保护,它是一次组件,在瞬变故障,如输出短路或输入电压出现波动时,动作显得并不合适。另一种是选择CPTC(陶瓷正温度系数)器件,它的缺点是低温阻抗大,在正常工作时增加了功耗。此外还可采用更高等级的绝缘而不用保护器件,但会提高成本。


图4所示是PPTC保护器件的温度保护特性的一个实例。
 

将PPTC器件串联在变压器的次级绕组上。如果把线性电源转换器的输出端人为短路,绕组的自身电阻能够把输出电流限制在1A左右。次级绕组的温度开始上升,当它达到100℃时,由于过热和过流的共同作用,PPTC器件进入高阻抗状态,进一步限制了次级绕组的电流,防止绕组温度上升。

选择PPTC器件时,要考虑在最高环境温度(一般是45℃)下的最大负载电流,以及在变压器温度升高时的最短要求动作时间。

保护变压器
变压器常见的损坏有两种情况:原边过压和副边短路。这两种故障都会使变压器线圈温度升高,如不及时处理,将导致线圈绝缘性降低、温度失控,甚至使变压器烧毁。

在变压器的原边串接一个热保险丝、副边串接一个过流保险丝是最常用的一种保护方案。该方法虽然能在超温和过流的情况下起到保护作用,但需要两个元件,增加了成本。而且保险丝是一次性元件,故障发生后,必需更换。实验曾证实,当变压器由于副边短路造成副边线圈温度超过200℃时,额定温度为115℃、安装在铁心中心附近的热保险丝才熔断,这时线圈的绝缘已经融化烧糊,正在损坏变压器(见图5)。


图5


在变压器中采用PPTC保护器件,则既简单又节省成本。只用一个额定电压为240V(AC)的PPTC器件,安装在变压器的原边,就可代替两个热保险丝实现超温及过流保护。当故障发生时,在线圈温度升高但电流并没有显著的增加的情况下,电路保护元件中的超温器件就显得非常重要。低功率电源变压器是此应用的一个很好的实例。即使副边有短路发生时,PPTC器件的电阻将增大,电流被限制在很低的范围内,起到保护变压器的作用,避免如图5那样毁坏性的故障。表1是一个120V交流变压器,采用热保险丝和PPTC器件保护时的比较数据。
 

表1 热保险丝于PPTC器件的性能比较


结论
PPTC器件能对大范围的电路有效地起到保护作用,并且得到了全球安全机构的认可。它不但性能可靠,而且具有自恢复性,降低了产品保修、服务及修理的成本,同时也增加了用户对产品的满意程度。
PPTC器件制造商正在加紧材料科学方面的研究,不断推出更具效率的新型设计,以满足市场小型高效的需求。

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