【专题】电源上的各种过流保护方法大讨论

国流保护.
提供电路保护和降低成本的聚合物PTC组件

2003-05-07 16:56:26    
泰科电子/瑞侃电路保护部门 行销总监 Frank Owen

2003年4上半月

正温度系数电路保护组件是用以防止过电流及超温故障.像传统保险丝一样,PPTC组件能限制故障期间具有危险性的高电流.不同的是,PPTC会在故障状态解除之后,并且该电路电源移除之后,自动重新设定, PPTC组件典型的应用包括计算机外设、二次充电电池、电源供应器、汽车电子及电信设备等.

PPTC动作原理
PTC效应
要描述PTC材料的电阻特性,简而言之就是当温度上升时,该材料增加电阻值.所有具有类似金属特性的导体,都有正温度系数的电阻值.在这些材料中,PTC的效益是以电阻值随温度呈线性逐渐增加来描述其特性.这便是常见或是线性的PTC效应.
非线性PTC效应
材料经过一个阶段的变化可能会产生阻抗,该阻抗超过一窄小的温度范围就会剧烈地增加,如图1所示.某些类型的传导性聚合物会产生此种效应.这些传导性聚合物做为过电流保护组件很有用,通常称为聚合物式PTC(PPTC)过电流限制器,电路保护组件或自复式保险丝.

图1 PPTC组件操作曲线例子
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图2 对单独端口保护的低主动过电流脚位故障报告
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PPTC卷带式组件保护蜂巢式手机电池组避免受到过温度及过电流损害.



PPTC组件的应用
在电路中,PPTC组件常被用来作为串联组件,专为各种不同的工作电流而设计,且每个组件由“额定”电流所规范,额定电流为组件的最小电流,能在20℃下,无需动作触发即能通过.它们的封装型式有插脚、滚动条、芯片、盘片型及表面贴装等组态,且符合UL60950安全规范.
USB的保护
USB技术使具有自行辨识功能的外围能主动地与PC连接.保护USB集线器和主组件,避免因短路或受损的下游组件而遭受损害,一般靠PPTC组件.
USB规格1.1和2.0要求对于主集线器及自带电集线器有单独或成组的保护电路作为过电流保护.采用PPTC组件作为单独端口,可以保证对下游电力连接提供一套有效的设计.当一端口有故障发生,则该端口的PPTC组件产生连续动作(trips)时,附近的端口皆保持功能.
图2显示实现单独端口保护及过电流报告逻辑的基本电路.在正常情况下,PPTC组件的下游电压(VA)约为5V.在故障事件中, VA会降至1V以下.
铁芯(ferrite bead)与Vcc输出脚串联通常是为了降低对USB缆线的EMI幅射.铁珠上的串联电阻值及其RF阻抗是关键所在.电路上的铁珠配置是实现低串联直流电阻值的首要选择.电容输出电路,其输出电容接在铁芯之后,是下游端口取得优异特性较佳的电路.
电池组保护
在量产的可携式应用中,二次锂离子为主的化学品使用在电话及笔记本电脑上已经远较过去几年大幅增加.具有更高能量密度与充电率能力的电池化学品,也已经增强其在电池电路保护设计上的复杂度.
工业上对于单颗锂电池及圆柱型锂离子电池的过电流保护情况是采用PPTC组件,形状像圆盘状地组装在每个电池盖里面.这些做法运用在其它安全装置上,如分离器及压力排气孔.
防止电池组(镍镉,镍锰,或锂离子)过电流及过度充电损害的保护方法一般包括双金属电路断路器或PPTC组件.在镍锰电池组上以上方式可能是唯一的保护方式.不过在锂离子电池组上的保护方式不止于此,还包括可用主动式安全电路(IC及MOSFET’s).在故障期间,电压会明显地比正常操作下升高许多,二者应用的电流视短路电阻值多寡而大上好几十安培.在过度充电情况下,需要对电池组加以保护以免温度窜升过高,超过耐热度约100℃的镍镉电池组,或约80~90℃耐热度的镍锰或锂离子电池组.
相形于镍锰及锂离子等较高能量密度化学品在充电期间对于过温会产生敏感度增加的反应,新型低温PPTC专门开发出来能在温度过度窜升的情况下,截断电池的充电电流.(见图3)不论温度的升高是由于外部短路或者是过度充电所致,与电池串联安装在电池组内的PPTC条带式组件,能提供过电流与过温的双重保护,从而省却加装热保险丝或双金属断路器.

趋势:更小的自复式保险丝
人们正发展新一代PPTC组件,例如泰科电子/瑞侃电路保护部的产品,体积比其它现有市场上的聚合物正温度系数(PPTC)保险丝小40%.它们包含四种组件,采用二种基本封装型态,nanoSMD组件使移动电话及其它无线设备得到保护高达6V的电路,过电流突波高达40A,工作电流达1.5V.结合电路板上电阻值低至80mW(一般), nanoSMD自复式保险丝也适用于笔记本电脑、显示器、主机板及USB集线器与外围.通信信号线、电池充电控制模块及工业控制也都是此种组件适合的应用领

一般这样
一般过流因速度快,在mosfet等功率器件损坏时,保险丝,ptc等不会保护.所以应在电路中进行电流监测保护.加ntc小电阻是防止启动电流过大的,发热试可采用温度保险丝,总之,电路保护最快,ptc保险丝次之,温度保险丝最慢,没有在讨论的必要.

引文不错,还有更详细的吗
song,非常谢谢你.你引见的这篇文章很好,让我进一不了解了PTC的应用,不过,你能再进一不谈谈PPTC在电源上的应用吗?现在电源企业都在极力降低成本,你看哪几类电源是比较适合用PPTC的呢?

PTC可不可以作第二保护呢?
因为电路监测保护也有失败的时候,这时适当把PTC作为第二保护不就可以起作用了吗?当然我没试过,不知你有没有试过?

PTC的使用
根据我的了解.目前大多数的锂电池中加入了PTC作为
保护,如圆柱锂电池,笔记本电池中的输出保护板,手机电池等.一般认为在PTC发生作用时,基本上电池已经废了,加入它的作用一般认为是防止爆炸等事件发生.
在高档充电器,通信模块中用的也比较多,目前深圳做这个东西的厂家较多,多和他们交流可以了解更多的情况.

3843的限流
属于IC保护,通过比较器来控制6脚输出,从而控制MOS管的通断,来起到过流保护!

可以的
防止继续损坏