PPTC器件的自恢復(fù)原理
保護(hù)電子電路免于因過(guò)大電流或過(guò)熱引起的損害是許多電路保護(hù)技術(shù)的主要功能。過(guò)去，這種保護(hù)采取熔斷器或熔絲的形式，但在今天的許多應(yīng)用中，自復(fù)式器件，如聚合物正溫度系數(shù) (PPTC) 器件、陶瓷PTC器件、雙金屬斷路器和恒溫器成為首選的解決方案。這些器件在故障事件發(fā)生后無(wú)需進(jìn)行更換，可以在電源切斷或過(guò)流條件消除后使電路恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。這種自復(fù)式功能可以幫助制造商降低保修、服務(wù)和維修成本; 然而，正確的應(yīng)用這些器件需要了解器件復(fù)位的原理以及在復(fù)位之前需要符合甚么樣的電路條件。
雖然“自復(fù)式保險(xiǎn)絲”有時(shí)是用來(lái)形容PPTC器件的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，但是事實(shí)上，它們不是保險(xiǎn)絲，而是限制電流的非線性熱敏電阻。由于所有的PPTC器件在故障條件下會(huì)進(jìn)入高阻狀態(tài)，正常的運(yùn)行仍然會(huì)在部分電路產(chǎn)生危險(xiǎn)的電壓。電路設(shè)計(jì)人員能清楚認(rèn)識(shí)到保險(xiǎn)絲和PPTC器件之間的關(guān)鍵差異極為重要。
保險(xiǎn)絲是電流中斷器件，而且一旦保險(xiǎn)絲“激活”，電路即被中斷，電路中不再存在電流。這種電氣中斷(或開路)是一種永久性的狀態(tài)。然而，當(dāng)PPTC器件跳閘至高阻狀態(tài)，仍會(huì)有少量的電流繼續(xù)流過(guò)器件。PPTC器件需要一個(gè)低焦耳加熱的泄漏電流或外部熱源以使其保持跳閘狀態(tài)。一旦故障條件被排除，重新通電，該熱源即被消除。器件便可返回至低阻狀態(tài)從而使電路恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。
與其他過(guò)流保護(hù)元件相比，有什么不同？
盡管自復(fù)式器件的固有優(yōu)勢(shì)很明顯，但在某些情況下保險(xiǎn)絲可能是電路保護(hù)的首選形式。在恢復(fù)正常運(yùn)行后會(huì)構(gòu)成潛在的安全隱患或在故障條件發(fā)生后需要在設(shè)備上執(zhí)行服務(wù)的條件下，保險(xiǎn)絲或斷路器是更為合適的方案。例如，在垃圾處理機(jī)上建議使用保險(xiǎn)絲，因?yàn)槿绻?dāng)電機(jī)突然恢復(fù)運(yùn)作時(shí)刀片可能會(huì)造成嚴(yán)重的傷害。但是自復(fù)式PPTC器件在保護(hù)可能在持續(xù)高音量狀態(tài)下的過(guò)大功率而受損的揚(yáng)聲器線圈時(shí)是一種合乎邏輯的解決方案。
不了解這種器件自復(fù)式功能的確切性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致在電路中PPTC器件使用不當(dāng)。如果設(shè)計(jì)人員正在用PPTC器件與其他自復(fù)式器件，如陶瓷PTC器件、雙金屬恒溫器、和按鈕式斷路器做比較，那么將會(huì)帶來(lái)更多困惑。下表(圖1)描述了這些過(guò)流保護(hù)器件的復(fù)位動(dòng)作。在選擇過(guò)流保護(hù)器件時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須考慮復(fù)位條件、恢復(fù)時(shí)間和可能影響到器件性能的環(huán)境條件。
PPTC器件的工作原理
PPTC電路保護(hù)器件由半結(jié)晶聚合物和導(dǎo)電離子的聚合物制成。在正常溫度時(shí)，導(dǎo)電粒子在聚合物中形成低電阻網(wǎng)絡(luò)(圖2)。但當(dāng)溫度升高到器件的動(dòng)作溫度(Tsw)之上時(shí)，無(wú)論是因通過(guò)器件的高電流造成的還是由于環(huán)境溫度升高引起的，聚合物中的晶粒融化并形成非晶態(tài)。在晶相的融化過(guò)程中，體積上的增加將導(dǎo)電離子分開，從而使器件的電阻產(chǎn)生大的非線性增加。
電阻通常以三個(gè)或更多數(shù)量級(jí)增加，如圖3所示，也就是所說(shuō)的器件“跳閘”。升高的電阻有助于保護(hù)電路中的設(shè)備，方法是把故障條件下流動(dòng)的電流降低至較低的穩(wěn)態(tài)水平。故障被排除、電路重新加電前該器件將始終保持在鎖閉(高電阻)位置- 在這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電復(fù)合材料逐步冷卻并結(jié)晶，使PPTC器件恢復(fù)至低電阻狀態(tài)，并使受到影響的設(shè)備恢復(fù)至正常工作狀態(tài)。
最終，設(shè)計(jì)人員必須決定他們的應(yīng)用中需要甚么樣的保護(hù)級(jí)別，并且只有一項(xiàng)系統(tǒng)測(cè)試能確定指定的保護(hù)器件是否合適。器件制造商提供的建議有助于縮小選擇范圍，給其他保護(hù)方案設(shè)定基準(zhǔn)也會(huì)有所幫助，但是實(shí)際的系統(tǒng)測(cè)試仍然是所選擇的是否是正確的保護(hù)解決方案的決定性指標(biāo)。
PPTC器件設(shè)計(jì)上的注意事項(xiàng)
在電路中設(shè)計(jì)PPTC器件時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵參數(shù)包括器件的保持和跳閘電流、環(huán)境條件對(duì)器件性能的影響、器件復(fù)位時(shí)間、跳閘狀態(tài)下的泄漏電流、以及自動(dòng)或手動(dòng)復(fù)位條件。
保持電流和跳閘電流
圖4說(shuō)明了PPTC器件隨溫度變化的保持電流和跳閘電流情況。區(qū)域A描述了PPTC器件跳閘并保護(hù)電路所需的電流和溫度組合狀態(tài)。區(qū)域B描述了器件允許電路正常工作的電流和溫度組合狀態(tài)。區(qū)域C中，器件可能會(huì)跳閘也可能會(huì)保持在低電阻狀態(tài)，這取決于單個(gè)器件的電阻和其所處的環(huán)境。
由于PPTC器件可以熱激活，器件周圍任何的溫度變化都會(huì)影響器件的性能。隨著器件周圍的溫度增加，使器件跳閘將需要更少的能量，因此，保持電流 (Ihold) 會(huì)降低。陶瓷PTO器件以及PPTC器件的制造商提供的熱降額曲線以及保持電流和溫度的關(guān)系表可以幫助設(shè)計(jì)人員選擇合適的器件。
環(huán)境條件對(duì)器件性能的影響
器件的傳熱環(huán)境可以顯著影響到器件的性能。 在一般情況下，通過(guò)增加器件的傳熱，在功耗、跳閘時(shí)間和保持電流上會(huì)有相應(yīng)的增加。 相反，從器件的傳熱下降，這些指標(biāo)會(huì)相應(yīng)下降。此外，改變器件周圍的熱質(zhì)量將會(huì)改變器件的跳閘時(shí)間。
PPTC器件的跳閘時(shí)間被定義為從故障電流開始到使器件跳閘所需的時(shí)間。跳閘時(shí)間取決于故障電流的大小和環(huán)境溫度。當(dāng)散失至環(huán)境中的熱耗小于熱產(chǎn)生率時(shí)會(huì)導(dǎo)致跳閘事件。如果產(chǎn)生的熱量大于失去的熱量，器件的溫度會(huì)升高。溫度上升的速率和使器件跳閘所需的總能量取決千故障電流和傳熱環(huán)境。在正常工作條件下，器件所產(chǎn)生的熱和器件耗散至環(huán)境的熱是平衡的。
其中:
= 流經(jīng)器件的電流
R = 器件的電阻
U = 總傳熱系數(shù)
T = 器件溫度
TA = 環(huán)境溫度
電流或環(huán)境溫度的增加、或者兩者同時(shí)增加會(huì)導(dǎo)致器件達(dá)到其電阻迅速上升的溫度。這種電阻上的巨大變化導(dǎo)致在電路中的電流相應(yīng)減少，從而保護(hù)電路不受損壞。
保持電流是最高的穩(wěn)態(tài)電流，器件將無(wú)限期保持，而不會(huì)從低阻狀態(tài)高阻狀態(tài)轉(zhuǎn)換。保持電流可以由傳熱環(huán)境相對(duì)精確地定義，并可以因多種設(shè)計(jì)選擇而受到影響，比如
將器件放置在發(fā)熱源附近，如功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電阻器或變壓器，會(huì)導(dǎo)致器件保持電流、功耗和跳閘時(shí)間降低。
增加與器件電氣接觸的軌跡或引線的尺寸，會(huì)導(dǎo)致傳熱增加以及保持電流更高、跳閘時(shí)間更慢、功耗更高
在連接至電路板之前將器件附加到一對(duì)長(zhǎng)的電線上，會(huì)增加器件的引線長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致傳熱減少、降低器件的保持電流、功耗和跳閘時(shí)間。
器件復(fù)位時(shí)間
圖5顯示了在跳閘事件之后電阻恢復(fù)至穩(wěn)定值會(huì)非常迅速，大部分恢復(fù)會(huì)在最初的幾秒鐘內(nèi)完成。至于其他的電氣性能，電阻恢復(fù)時(shí)間將取決于器件的設(shè)計(jì)和熱環(huán)境。由于電阻恢復(fù)時(shí)間與器件的冷卻時(shí)間相關(guān)，傳熱越大，恢復(fù)就越迅速。
跳閘狀態(tài)下的泄漏電流
當(dāng)PPTC器件被鎖定在高阻狀態(tài)時(shí)，允許通過(guò)器件的電流量是故障電流的一小部分。這部分電流可以通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算 :
I = PD/VPS
其中
I = 在跳閘狀態(tài)下器件的泄漏電流
PD = PPTC器件的功耗
Vps = PPTC器件兩端的電壓
自動(dòng)復(fù)位條件
在大多數(shù)應(yīng)用中，為了使PPTC器件復(fù)位并使電路恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，必須進(jìn)行斷電并消除故障條件。然而，在一定的條件下，PPTC器件可能會(huì)自動(dòng)復(fù)位。一般情況下，如果在工作過(guò)程中可以改變電壓，可以將自動(dòng)復(fù)位功能設(shè)計(jì)到應(yīng)用中。
前面提到的揚(yáng)聲器過(guò)載保護(hù)解決方案是這種情況的一個(gè)例子。低功率揚(yáng)聲器采用的高功率放大器在持續(xù)的高音量下會(huì)使揚(yáng)聲器功率過(guò)大而過(guò)載。
可以使用保險(xiǎn)絲對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行保護(hù)，但是“熔斷”的保險(xiǎn)絲對(duì)與用戶來(lái)說(shuō)是令人沮喪的事，而且在保修期內(nèi)就需要維修。斷路器是一種備選的方案，但是在斷路器打開時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，并制造煩人的噪音。
在這種應(yīng)用中通常使用PPTC器件，因?yàn)樗鼈兛梢浴败浨袚Q至高阻跳閘狀態(tài)，并當(dāng)源電壓降低的時(shí)候自動(dòng)復(fù)位至低電阻狀態(tài)。典型的電路保護(hù)方法是將PPTC器件與揚(yáng)聲器串聯(lián)。PPTC器件的型號(hào)必須合適，以使其在任何特定電流下的跳閘時(shí)間少于在這種電流下?lián)p壞揚(yáng)聲器所需的時(shí)間。(圖6)隨著源電壓升高，通過(guò)PPTC器件的電流也會(huì)增加，最終造成器件跳閘并限制揚(yáng)聲器所遭受的功率。源電壓降低到正常水平，整個(gè)PPTC的電壓降降低。如果電壓下降到足夠低的水平，PPTC器件將返回到低電阻狀態(tài)并自動(dòng)復(fù)位。
當(dāng)滿足以下條件時(shí)，器件會(huì)自動(dòng)復(fù)位：
其中:
V = 電路的工作電壓
RL = 負(fù)載電阻
PD = PPTC器件的功耗
手動(dòng)復(fù)位條件
在許多應(yīng)用中，通過(guò)用戶干預(yù)對(duì)PPTC器件進(jìn)行復(fù)位是首選的方法，一些指示方法可以用來(lái)提示此動(dòng)作。例如，在手機(jī)充電應(yīng)用中，一個(gè)LED燈可以指示是否做出正確的連接，提示用戶更換充電座中的手機(jī)。在計(jì)算機(jī)或多媒體應(yīng)用中，不正確的連接可能會(huì)使計(jì)算機(jī)死機(jī)，迫使用戶重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。在電池驅(qū)動(dòng)的玩具中，通過(guò)簡(jiǎn)單的開關(guān)切換可能是PPTC器件復(fù)位的唯一要求。在任何一種情況下，這些故障實(shí)質(zhì)上是臨時(shí)性的，而其復(fù)位功能對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是明顯的。
在某些應(yīng)用中，不能對(duì)用戶進(jìn)行故障條件的提示可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備最終損壞。用來(lái)為計(jì)算機(jī)和其他關(guān)鍵任務(wù)設(shè)備提供后備電源的不間斷電源UPS) 的次級(jí)側(cè)上的過(guò)流保護(hù)方案便是這樣一個(gè)例子。在過(guò)流故障的情況下，PPTC器件跳閘以保護(hù)充電器，但由于電池仍在供電，設(shè)備繼續(xù)正常運(yùn)行，用戶可能不會(huì)意識(shí)到充電器已經(jīng)出現(xiàn)了一次故障。
PPTC器件將保持鎖定，直到從UPS上斷開電源，所以只有少量的電流從充電器流電池。由于電池沒(méi)有接收足夠的補(bǔ)充電流，電池電量會(huì)用完并可能因反復(fù)的深放電而最終失去其性能。如果有一個(gè)故障指示燈提示用戶對(duì)故障進(jìn)行檢查，拔下給UPS供電的電源，然后恢復(fù)充電電路，可以避免這種情況。
總結(jié)
PPTC電路保護(hù)器件被用以保護(hù)防止有害的過(guò)流浪涌和過(guò)熱故障的損害。像傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲一樣，PPTC器件在故障條件下會(huì)限制危險(xiǎn)的高電流流動(dòng)。然而，在故障排除并重新通電后，PPTC器件會(huì)自動(dòng)復(fù)位。了解這些器件的確切性質(zhì)可以有助于設(shè)計(jì)人員開發(fā)更為可靠的設(shè)備并減少保修、服務(wù)和維修費(fèi)用。
