中心論題：
- PPTC工作原理
- PPTC在無(wú)線電子產(chǎn)品、電池組、充電器、電源轉(zhuǎn)換器及變壓器中的應(yīng)用
解決方案：
- PPTC器件和電壓過(guò)載保護(hù)器件相互配合保護(hù)無(wú)線電子產(chǎn)品
- PPTC電池保護(hù)器件和電池組里面的原電池串聯(lián)保護(hù)電池組
- PPTC器件，可一勞永逸保護(hù)CLA電路
- 將PPTC器件串聯(lián)在變壓器的次級(jí)繞組上可保護(hù)AC/DC電源轉(zhuǎn)換器
- 將PPTC器件安裝在變壓器的原邊可保護(hù)變壓器
PPTC是Polymeric Positive Temperature Coefficient的縮寫(xiě)，PPTC器件即高分子聚合物正溫度系數(shù)器件，該器件能在電流浪涌過(guò)大、溫度過(guò)高時(shí)對(duì)電路起保護(hù)作用。使用時(shí)，將其串接在電路中，在正常情況下，其阻值很小，損耗也很小，不影響電路正常工作；但若有過(guò)流（如短路）發(fā)生，其溫度升高，它的阻值隨之急劇升高，達(dá)到限制電流的作用，避免損壞電路中的元器件。當(dāng)故障排除后，PPTC器件的溫度自動(dòng)下降，又恢復(fù)到低阻狀態(tài)，因此PPTC器件又稱為可復(fù)性保險(xiǎn)絲。
下面分別介紹PPTC器件在無(wú)線電子產(chǎn)品、電池組、充電器、電源轉(zhuǎn)換器及變壓器中的應(yīng)用。
保護(hù)無(wú)線電子產(chǎn)品的電路
無(wú)線電子產(chǎn)品（如移動(dòng)電話、PDA），無(wú)論是在直接供電還是充電時(shí)，都需要AC/DC電源轉(zhuǎn)換器將電網(wǎng)電壓或是未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)較低電平的直流電壓。隨著AC/DC電源轉(zhuǎn)換器配件及各種通用充電器紛紛進(jìn)入市場(chǎng)，如選用不合適的AC/DC電源轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓、電流、極性可能會(huì)超出或違背電子產(chǎn)品本身的內(nèi)部電路規(guī)范，因此可能損壞電路甚至引起安全問(wèn)題。鑒于此，對(duì)電路的保護(hù)就更加重要。
常用的電路保護(hù)方法是使用一次性熔斷絲或是使用專(zhuān)用接插件。一次性熔絲雖比較便宜，但它只能用一次，同時(shí)容易產(chǎn)生誤動(dòng)作。如使用專(zhuān)用接插件，通常只需數(shù)天，其他配件制造商就能仿制出同樣的產(chǎn)品，仍會(huì)出現(xiàn)接插錯(cuò)誤并可能引起嚴(yán)重的損壞，例如，通過(guò)增大組件的擊穿電壓以增大輸出電流將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的功耗過(guò)高。
性能可靠的微型PPTC器件的出現(xiàn)，為體積小、質(zhì)量輕的無(wú)線便攜產(chǎn)品的電路保護(hù)提供了良好的解決方案。此外，在無(wú)線設(shè)備中出現(xiàn)的故障大多數(shù)是暫時(shí)性的，使用可恢復(fù)性PPTC保護(hù)器件還能避免不菲的產(chǎn)品保修成本。
將PPTC器件串聯(lián)在電源接口處，或再并聯(lián)一只限壓器件，例如齊納二極管、瞬態(tài)電壓抑制二極管或電壓過(guò)載保護(hù)器，就可避免不匹配的電源轉(zhuǎn)換器所帶來(lái)的損壞。
圖1是一個(gè)典型的電池充電器的電路。
在該電路中，未經(jīng)穩(wěn)壓的電源轉(zhuǎn)換器直流輸出電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路調(diào)制，轉(zhuǎn)變成適當(dāng)?shù)碾妷簩?duì)電池進(jìn)行充電。PPTC器件和電壓過(guò)載保護(hù)器件相互配合，可以對(duì)以下故障起保護(hù)作用：
（1）過(guò)流：過(guò)流可能會(huì)損壞功率FET或電池組。
（2）極性接反：這時(shí)二極管導(dǎo)通，PPTC器件進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)進(jìn)行限流保護(hù)。
（3）過(guò)壓：這時(shí)電壓過(guò)載保護(hù)器件起作用，PPTC器件則限制電流。
（4）PPTC器件還可裝在電池組的輸入端，增加一層保護(hù)作用。如果設(shè)備是為耳機(jī)、汽車(chē)免提設(shè)備這類(lèi)有源附件供電時(shí)，在電源輸出端，也需要保護(hù)。
保護(hù)電池組
由濫充而引起的電池過(guò)溫是電池組設(shè)計(jì)人員主要關(guān)心的問(wèn)題。鋰電池組中盡管有過(guò)壓及過(guò)流檢測(cè)安全保護(hù)電路（包括集成電路及MOSFET），仍需串聯(lián)PPTC器件。因?yàn)樵谟羞^(guò)強(qiáng)的靜電放電、溫度過(guò)高以及短路的情況下半導(dǎo)體電路會(huì)出現(xiàn)故障。在電壓保護(hù)電路失效而又沒(méi)有溫度保護(hù)的情況下，電池就會(huì)在過(guò)充或?yàn)E充時(shí)產(chǎn)生過(guò)多熱量，使電池破裂、漏液、冒煙、甚至燃燒。
此外，對(duì)便攜式產(chǎn)品工作時(shí)間的延長(zhǎng)，推動(dòng)人們?nèi)パ兄企w積更小、質(zhì)量更輕的鋰離子和鋰聚合物電池。為適應(yīng)這些新型電池保護(hù)電路的要求，PPTC保護(hù)器件制造商也在減小器件的消耗方面不斷努力。
瑞侃公司最近推出一種新型條狀PPTC電池保護(hù)器件，與以往產(chǎn)品相比，可將電阻降低35%左右。該器件能同時(shí)起到過(guò)流保護(hù)及過(guò)溫保護(hù)的作用，專(zhuān)為降低電池組阻抗、滿足更長(zhǎng)工作時(shí)間要求的便攜式電子產(chǎn)品而設(shè)計(jì)。
通過(guò)將PPTC電池保護(hù)器件和電池組里面的原電池串聯(lián)在一起，無(wú)論溫升是由短路造成的還是由過(guò)充引起的，器件都可以發(fā)揮保護(hù)作用，無(wú)須熱熔斷絲或雙金屬斷路器。此條狀PPTC器件采用鎳做引腳，尺寸又小又薄，可直接焊到原電池上，既節(jié)省空間，又降低安裝費(fèi)用（見(jiàn)圖2）。
圖2
保護(hù)CLA電路
點(diǎn)煙器電源轉(zhuǎn)換器（CLA）的工作溫度范圍很寬，使其充電環(huán)境變化很大，這是因?yàn)槠?chē)所處的環(huán)境很惡劣，而在電氣方面的要求又很?chē)?yán)格。CLA經(jīng)常出現(xiàn)的故障主要有以下三種類(lèi)型：
（1） 電流過(guò)大：將損壞充電器或者汽車(chē)電路。
（2） 充電器電路故障：將燒斷充電器里的熔斷絲或損壞汽車(chē)的電氣線路。
（3） 極性接反：將損壞移動(dòng)電話充電器的電路。
在CLA的輸入端安裝一只電流保護(hù)器件就可避免上述故障。終端設(shè)備的負(fù)載電流、CLA本身功率轉(zhuǎn)換電路對(duì)故障的敏感程度，都是決定保護(hù)要求的主要因素。一般而言，在CLA的輸入端，過(guò)流保護(hù)器件是與瞬態(tài)電壓抑制二極管這類(lèi)電壓過(guò)載保護(hù)器件一起使用的。采用可恢復(fù)PPTC器件，可一勞永逸地保護(hù)電路，免去了用熔斷絲時(shí)的更換煩勞，對(duì)廠商來(lái)說(shuō)，則減少了退回保修的產(chǎn)品數(shù)量。
圖3是常見(jiàn)的CLA的電路
在這個(gè)例子中，用一雙PolySwitch系列保護(hù)器件和一只瞬變電壓抑制（TVS）二極管在輸入端提供保護(hù)作用。同時(shí)用一個(gè)由集成電路控制的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓。單獨(dú)使用PPTC，或者與TVS二極管結(jié)合起來(lái)使用，都能自動(dòng)防止由以下四種情況造成的損壞：
（1）負(fù)載電流過(guò)大。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)移動(dòng)電話需要的電流過(guò)大，PPTC進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，直到故障排除。
（2）轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障。如果轉(zhuǎn)換器或起控制作用的集成電路出現(xiàn)故障，造成短路，這時(shí)PPTC保護(hù)器件進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，保護(hù)汽車(chē)線路及熔斷絲。
（3）發(fā)動(dòng)機(jī)激活時(shí)的瞬變電壓。在發(fā)動(dòng)機(jī)激活時(shí)，發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生瞬變電壓尖脈沖。正常情況下，TVS二極管會(huì)把它抑制下去。但若瞬變電壓幅度很大，可能超過(guò)TVS二極管的額定值。安裝一只PPTC保護(hù)器件，在電流還末增大到會(huì)造成損壞時(shí)，器件就已進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，防止對(duì)TVS二極管造成損壞。
（4）汽車(chē)電池極性接反。如果汽車(chē)電池的極性接反了，TVS二極管會(huì)正向?qū)ǎ娏鲿?huì)通過(guò)PPTC保護(hù)器件，電流過(guò)大時(shí)，PPTC保護(hù)器件便進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，限制加在TVS兩端的正向電壓。
在選擇PPTC器件時(shí)，必須考慮到最大負(fù)載電流、最高環(huán)境溫度及進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)所需要的時(shí)間，以防止損壞其它器件。
保護(hù)AC/DC電源轉(zhuǎn)換器
AC/DC電源轉(zhuǎn)換器對(duì)于安全和可靠性有它特定的要求，這與對(duì)短路電流的限制以及變壓器繞組過(guò)熱所需要的溫度保護(hù)有關(guān)。如果繞組的溫度超過(guò)絕緣材料的允許溫度范圍，絕緣層就會(huì)被破壞擊穿，造成變壓器內(nèi)部短路，甚至起火。繞組溫度過(guò)高的可能原因包括：環(huán)境溫度過(guò)高、外部短路或輸入電源出現(xiàn)波動(dòng)。
在變壓器繞組中采用熱熔斷絲進(jìn)行保護(hù)，它是一次組件，在瞬變故障，如輸出短路或輸入電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，動(dòng)作顯得并不合適。另一種是選擇CPTC（陶瓷正溫度系數(shù)）器件，它的缺點(diǎn)是低溫阻抗大，在正常工作時(shí)增加了功耗。此外還可采用更高等級(jí)的絕緣而不用保護(hù)器件，但會(huì)提高成本。
圖4所示是PPTC保護(hù)器件的溫度保護(hù)特性的一個(gè)實(shí)例。
將PPTC器件串聯(lián)在變壓器的次級(jí)繞組上。如果把線性電源轉(zhuǎn)換器的輸出端人為短路，繞組的自身電阻能夠把輸出電流限制在1A左右。次級(jí)繞組的溫度開(kāi)始上升，當(dāng)它達(dá)到100℃時(shí)，由于過(guò)熱和過(guò)流的共同作用，PPTC器件進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，進(jìn)一步限制了次級(jí)繞組的電流，防止繞組溫度上升。
選擇PPTC器件時(shí)，要考慮在最高環(huán)境溫度（一般是45℃）下的最大負(fù)載電流，以及在變壓器溫度升高時(shí)的最短要求動(dòng)作時(shí)間。
保護(hù)變壓器
變壓器常見(jiàn)的損壞有兩種情況：原邊過(guò)壓和副邊短路。這兩種故障都會(huì)使變壓器線圈溫度升高，如不及時(shí)處理，將導(dǎo)致線圈絕緣性降低、溫度失控，甚至使變壓器燒毀。
在變壓器的原邊串接一個(gè)熱保險(xiǎn)絲、副邊串接一個(gè)過(guò)流保險(xiǎn)絲是最常用的一種保護(hù)方案。該方法雖然能在超溫和過(guò)流的情況下起到保護(hù)作用，但需要兩個(gè)元件，增加了成本。而且保險(xiǎn)絲是一次性元件，故障發(fā)生后，必需更換。實(shí)驗(yàn)曾證實(shí)，當(dāng)變壓器由于副邊短路造成副邊線圈溫度超過(guò)200℃時(shí)，額定溫度為115℃、安裝在鐵心中心附近的熱保險(xiǎn)絲才熔斷，這時(shí)線圈的絕緣已經(jīng)融化燒糊，正在損壞變壓器（見(jiàn)圖5）。
圖5
在變壓器中采用PPTC保護(hù)器件，則既簡(jiǎn)單又節(jié)省成本。只用一個(gè)額定電壓為240V(AC)的PPTC器件，安裝在變壓器的原邊，就可代替兩個(gè)熱保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)超溫及過(guò)流保護(hù)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，在線圈溫度升高但電流并沒(méi)有顯著的增加的情況下，電路保護(hù)元件中的超溫器件就顯得非常重要。低功率電源變壓器是此應(yīng)用的一個(gè)很好的實(shí)例。即使副邊有短路發(fā)生時(shí)，PPTC器件的電阻將增大，電流被限制在很低的范圍內(nèi)，起到保護(hù)變壓器的作用，避免如圖5那樣毀壞性的故障。表1是一個(gè)120V交流變壓器，采用熱保險(xiǎn)絲和PPTC器件保護(hù)時(shí)的比較數(shù)據(jù)。
表1 熱保險(xiǎn)絲于PPTC器件的性能比較
結(jié)論
PPTC器件能對(duì)大范圍的電路有效地起到保護(hù)作用，并且得到了全球安全機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。它不但性能可靠，而且具有自恢復(fù)性，降低了產(chǎn)品保修、服務(wù)及修理的成本，同時(shí)也增加了用戶對(duì)產(chǎn)品的滿意程度。
PPTC器件制造商正在加緊材料科學(xué)方面的研究，不斷推出更具效率的新型設(shè)計(jì)，以滿足市場(chǎng)小型高效的需求。
