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Thermistor-PPTC過電流保護元件的應用
 

【作者: Daniel Chandler】   2002年05月05日 星期日

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近年來無線電子市場的蓬勃發展對電路保護技術有了更新的要求,這是因為數位元件對過大的電流或過高的電壓變得更加敏感。由於鋰電池的發展,以及電池充電技術的廣泛應用,新的Thermistor-PPTC(正溫度係數聚合物)保護元件因而產生。Thermistor-PPTC保護元件的性能好、體積小、對於需要元件輕薄短小的產品而言極為重要。


Thermistor-PPTC電路保護元件在電流過大、溫度過高時能發揮保護作用。和傳統的保險絲一樣,在出現故障時,這種元件能夠限制危險的大電流。不同的是,在排除故障、斷電之後,Thermitor-PPTC保護元件可以恢復原來的狀態,並且可以降低產品保固、服務及維修的成本。Thermistor-PPTC的應用包括無線電子產品、可充電電池、充電器以及AC/DC電源轉換器等等。


無線電子產品的電路保護

無線電子產品(例如行動電話或者PDA),無論是在直接供電還是充電時,都需要AC/DC電源轉換器來將電網電壓或者是未經過穩壓的直流電壓轉換成一個較低電位的直流電壓。如今,AC/DC電源轉換器配件以及各種通用充電器紛紛進入市場,使用不合適的AC/DC電源轉換器會造成危險的可能性也越來越大。AC/DC電源轉換器的輸出電壓、電流、極性可能會超出或違背這些電子產品的內部電路規範,因此可能損壞電路甚至引起安全問題。


業界認為,使用單次保險絲通常會比較便宜,但它的缺點是只能用一次,同時容易產生錯誤動作;使用專用接插件是另一個常用的方法,但通常只需數天,其他配件製造商就能仿製出同樣的專用連接器,於是仍然會出現連接錯誤並引起嚴重的損壞;通過增大元件的擊穿電壓,以增大輸出電流導致設備功耗過高的現象便是一例。


自復式元件

在過去,人們採用單次保險絲有時只是因為它的尺寸小。然而隨著新的微型自復式元件進入市場,尺寸不再是這類保護元件的障礙。此外,因為在無線設備中出現的故障大多數是暫時性的,使用自復式元件就能避免昂貴的產品保護維修成本。將Thermistor-PPTC元件串聯在電源介面處,或者再並聯一過電壓元件,例如齊納二極管、瞬態電壓抑制二極管或者過電壓保護器,就可以避免不適合的電源轉換器所帶來的損壞。



《圖一  一個電池充電器的電路》
《圖一 一個電池充電器的電路》

(圖一)是一個典型的電池充電器的電路。在這個電路中,未經穩壓的電源轉換器直流輸出電壓經過穩壓電路調製,轉變成適當的電壓對電池進行充電。 Thermistor-PPTC元件和電壓過載保護元件相互配合,可以對以下故障起保護的作用:


‧過電流:過大的電流可能會損壞功率FET或者電池組。


‧極性接反:這時二極管導通,Thermistor-PPTC元件進入高阻抗狀態從而限制電流。


‧電壓過高:這時電壓過載保護元件將開始作用,Thermistor-PPTC元件則限制電流。


Thermistor-PPTC元件還可以裝在電池組的輸入端,這樣更增加一層保護作用。如果設備是耳機、汽車免提設備這類供電有限的附件配備時,在電源輸出端,也一樣需要電路保護。


電池組的保護

由於過度充電而引起的電池過溫一向是電池組設計人員主要關心的問題。鋰電池組中通常有過電壓及過電流檢測安全保護電路(包括集成電路及MOSFET),此外仍需串聯Thermistor-PPTC元件。因為雖然半導體電路一般是很可靠的,然而在某些情況下會發生故障,例如過強的靜電放電、溫度過高以及短路時出現的振盪。


如果沒有溫度保護,同時電壓保護電路失效,電池就會在過度充電時產生過多熱量,引起內部損壞。這都會使電池破裂、漏液、冒煙、甚至燃燒。新的低電阻Thermistor-PPTC保護元件在溫度過高時可以降低充電電流。通過和電池組裏面的原電池串聯在一起,無論昇溫是由於外面出現短路造成的還是由於過度充電引起的,該保護元件都可以發揮保護作用,不再需要保險絲或者雙金屬斷路器。該元件採用鎳做引腳,尺寸又小又薄,因而可以直接焊到原電池上,既節省空間,又降低安裝費用(圖二)。


《圖二  片狀的Thermistor-PPTC保護元件示意圖》
《圖二 片狀的Thermistor-PPTC保護元件示意圖》

CLA電路保護

點煙器電源轉換器(CLA)的工作溫度範圍很廣,註定使其充電環境變化很大,這是因為汽車所處的環境很惡劣,而在電氣方面的要求又很嚴格。於是CLA常常出現故障,導致短路及保險絲熔斷。出現的故障主要有三種類型。


1.電流過大:當行動電話出現故障,或者當它從充電器上吸取的電流太多時,將損壞充電器或汽車電路。


2.充電器電路的故障:CLA充電器的電路出現故障會把保險絲燒斷,或損壞汽車的電氣線路。


3.極性接反:汽車電池有可能被意外地反接,結果將是損壞行動電話充電器的電路。


在CLA的輸入端安裝一顆電流保護元件就可以避免這些故障所造成的損壞。終端設備的負載電流,以及CLA本身功率轉換電路對故障的敏感程度,都是決定保護要求的主要因素。一般而言,在CLA的輸入端,過電流保護元件是與瞬態電壓抑制二極管這類電壓過載保護元件一起使用的。


傳統的汽車保護方案是使用普通的熔斷保險絲,它只能用一次,之後就要更換新的。這個方案的問題是,大多數的用戶對於更換CLA充電器中的熔斷保險絲感到很難。首先必須了解內部裝置有保險絲;其次,他們必須確定保險絲的類型;最後,他們還要知道如何在更換保險絲的同時不損壞充電器。對於用戶而言,在出現故障時,整個過程是很不方便的,他們往往會把它送回原製造廠。如果使用自復式元件,例如Thermistor-PPTC保護元件,就可以一勞永逸地保護電路,從而減少退回原廠保修的產品數量。


《圖三  點煙器充電器的電路》
《圖三 點煙器充電器的電路》

(圖三)是常見的CLA的電路,在這個例子中,用PolySwitch系列保護元件和瞬變電壓抑制(TVS)二極管在輸入端提供保護作用。同時用一個由集成電路控制的降壓DC/DC轉換器進行電壓轉換及穩壓。單獨使用Thermistor-PPTC,或者與TVS二極管結合起來使用,就能夠自動地防止由於以下四種現象所造成的損壞。


1.負載電流過大:此為出現故障時行動電話需要的電流過大,Thermistor-PPTC進入高阻抗狀態,直到故障排除。


2.轉換器出現故障:如果轉換器或者從事控制作用的集成電路出現故障造成短路,這時Thermistor-PPTC保護元件進入高阻抗狀態,從而保護汽車的連接線路及保險絲。


3.發動機啟動時的瞬變電壓:在發動機啟動時,發電機會產生瞬變電壓尖脈衝。在正常的情況下,TVS二極管會把它抑制下去。然而,如果瞬變電壓的幅度很大,可能超過的TVS二極管的額定值。安裝一只Thermistor-PPTC保護元件就可以防止對TVS二極管造成的損壞。因為在電流還未增大到會造成損壞時,Thermistor-PPTC保護元件就已經進入高阻抗狀態了。


4.汽車電池的極性接反:如果汽車電池的極性接反,TVS二極管會正向導通,電流會通過Thermistor-PPTC保護元件,電流流過大時,Thermistor-PPTC保護元件便進入高阻抗狀態,從而保護TVS二極管,並且能夠限制加在TVS兩端的正向電壓。


在選擇Thermistor-PPTC器件時,必須考慮到最大負載電流,最高的環境溫度,以及進入高阻抗狀態所需要的時間,以防止損壞其他元件。


保護AC/DC電源轉換器

線性AC/DC電源轉換器廣泛地用於電池充電設備上,也在各種消費類設備上作為直流電源。在用獨立的AC/DC電源轉換器時,終端設備的設計就簡化了。


繞組溫度

AC/DC電源轉換器對於安全和可靠性有它自己的要求,這與對短路電流的限制以及變壓器繞組過熱所需要的溫度保護有關。如果繞組的溫度超過絕緣材料的允許溫度範圍,絕緣層就會被破壞擊穿,造成變壓器內部短路,甚至起火。繞組溫度過高的可能原因包括:環境溫度過高,外部短路或者輸入電源出現波動時。


Thermistor-PPTC保護元件除了在電流過大時具備保護作用,這類元件在溫度過高時也具有保護作用。這是因為這類元件本身在受熱時,在較低電流時它便進入高阻狀態,點人們往往不一定暸解。


有時在變壓器繞組中會採用安裝熱熔斷保險絲的方式來進行保護,但是,它是一次性使用的元件,在瞬變故障,例如輸出短路,或者輸入電壓出現波動時動作顯得並不合適。另一種選擇CPTC(陶瓷正溫度係數)元件的缺點是它的低溫阻抗比較大,於是在正常工作時增加了功耗。此外對於變壓器繞組也可以考慮用更高等級的絕緣,這樣就不必用其他的保護元件。但是,這樣做提高了變壓器的成本。



《圖四  Thermistor-PPTC保護元件限制變壓器繞組的昇溫》
《圖四 Thermistor-PPTC保護元件限制變壓器繞組的昇溫》

(圖四)所示是Thermistor-PPTC保護元件的溫度保護特性的一個實例。這裏,Thermistor-PPTC元件被串聯在變壓器的次級繞組上。如果把線性電源轉換器的輸出端人為路,繞組的自身電阻能夠把輸出電流限制在1A左右。次級繞組的溫度開始上升,當它達到100℃時,由於過熱和過流的共同作用,Thermistor-PPTC元件進入高阻抗狀態。進一步限制了次級繞組的電流,防止繞組溫度上升。


選擇Thermistor-PPTC元件時,要考慮在最高環境溫度(一般是45℃)下的最大負載電流,以及在變壓器溫度升高時,它的最短要求動作時間。


結論

Thermistor-PPTC保護元件能有效地保護範圍廣泛的電路,在全世界得到安全機構的認證。這種元件可靠且自復式的保護性能能夠大大降低保固維修的費用,並且增加用戶對無線電子設備的滿意程度。透過材料方面的科學研究,以及不斷推出更具效率的新型設計,Thermistor-PPTC保護元件製造商正在努力滿足人們對更小尺寸無線設備的要求。(作者任職於泰科電子)


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