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PPTC過流保護(hù)的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2008-10-23

中心論題:

  • 分析PPTC在便攜式電子設(shè)備起過流保護(hù)作用的實(shí)現(xiàn)
  • 分析PPTC在電流適配器起過流保護(hù)作用的實(shí)現(xiàn)
  • 分析PPTC在充電器起過流保護(hù)作用的實(shí)現(xiàn)

解決方案:

  • 在電源接口串聯(lián)一個(gè)PPTC元件可起到防過壓作用
  • PPTC元件非常適合在過熱故障時(shí)提供有效保護(hù)
  • PPTC元件可提供“一插即可”的解決方案對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)從而減少質(zhì)保返修

 

 

本文介紹PPTC過流保護(hù)在便攜式電子設(shè)備、電流電配器和充電器中的應(yīng)用。
 
便攜式電子設(shè)備保護(hù)
便攜式電子設(shè)備,例如蜂窩電話、PDA和手提電腦的電源都有特殊的過流保護(hù)要求。這些設(shè)備一般是通過AC/DC電源適配器供(充)電,將市電或未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的低壓直流電。由于越來越多的人開始在零配件市場(chǎng)上購(gòu)買電源適配器以及通用充電器,將不兼容或有故障的電源適配器應(yīng)用于便攜式設(shè)備的可能性也就大大增加。由于電源適配器的電壓、極性以及電流都可能與該設(shè)備的電路規(guī)范不相吻合,從而將會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞甚至帶來安全隱患。

體積小,熔斷保險(xiǎn)絲,一度被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備中。然而,由于新型micro系列的誕生,可復(fù)式電路保護(hù)元件的體積已不再成為其制約瓶頸。并且,由于此類設(shè)備出現(xiàn)的大多數(shù)故障本質(zhì)上都是瞬時(shí)性的,可復(fù)式電路保護(hù)元件的應(yīng)用可使生產(chǎn)商避免小故障大維修的高額成本。

通過在電源接口串聯(lián)一個(gè)高分子正溫度系數(shù)(PPTC)元件,因電源適配器不兼容而造成的過流損壞就可以被有效避免。另外,如果再并聯(lián)一些其他元件如:齊納二極管、瞬時(shí)限壓二極管或消弧電路,還可以起到防過壓作用。

如圖1所示,未經(jīng)整流的直流電通過電源適配器轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m電壓對(duì)電池組進(jìn)行充電。PPTC元件與過壓保護(hù)元件協(xié)調(diào)作用共同完成下列工作:

  • 針對(duì)可能損壞FET以及電池組的過大電流,提供過電流保護(hù)。
  • 極性倒置時(shí), PPTC通過動(dòng)作以限制由于齊納二極管正向?qū)ǘa(chǎn)生的過電流。
  • 在過電壓元件對(duì)電壓過載提供保護(hù)時(shí),由PPTC元件對(duì)導(dǎo)通電流進(jìn)行限制,以保護(hù)過壓器件。

PPTC元件也可以用于連接電池組的器件端口,以保護(hù)因?yàn)槭褂糜泄收匣虿黄ヅ涞碾姵亟M而帶來的過電流損害。對(duì)各種免提式汽車通話裝置或耳機(jī)等供電時(shí),電池組輸出端保護(hù)亦提供理想的保護(hù)功能。


圖1典型的電池充電電壓
 
圖2 PPTC元件用于變壓器次級(jí)線圈所發(fā)揮的過熱保護(hù)特性
 
圖3 典型的CLA電路圖
 

AC/DC電源適配器保護(hù)
AC/DC電源適配器被廣泛地使用于電池充電應(yīng)用中,以及為各種消費(fèi)類電器提供低成本直流電源。使用分離的AC/DC電源適配器,可使終端設(shè)備的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化,并便于通過各類認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

各種電源適配器都有其安全和可靠性要求,包括短路電流限制和變壓器線圈過溫保護(hù)。如果線圈超過了絕緣材料所規(guī)定的溫度,絕緣層就可能損壞并導(dǎo)致變壓器短路,甚至引發(fā)火災(zāi)。雖然PPTC元件的過電流保護(hù)效果非常顯著,但其本身所具有的溫度衰減特性卻鮮受關(guān)注,而這種特征非常適合在過熱故障時(shí)提供有效保護(hù)。

一些變壓器線圈通過內(nèi)置溫度保險(xiǎn)絲,可以具有過溫保護(hù)功能。但由于溫度保險(xiǎn)絲為一次性元件,不適合用于防止瞬間故障,如輸出端短路或輸入電壓波動(dòng)的故障情況。而CPTC(陶瓷PTC)元件則因?yàn)橛凶杩馆^高的缺點(diǎn),會(huì)導(dǎo)致在正常工作條件下也產(chǎn)生過量的功率損耗。通過提高絕緣材料的耐熱等級(jí),也可以免去進(jìn)一步的保護(hù)措施,但直接結(jié)果是變壓器成本大大增加。

實(shí)驗(yàn)中,線性電源適配器輸出端被人為短路,因?yàn)榫€圈電阻的存在,輸出電流在1安培左右。此時(shí),次級(jí)線圈的溫度開始增加,當(dāng)達(dá)到100℃的時(shí)候,溫度和電流的共同作用引起PPTC元件動(dòng)作,從而限制了次級(jí)線圈的電流,并制止了線圈溫度進(jìn)一步上升,如圖2所示。

選擇PPTC元件時(shí),需要考慮可以通過的最大負(fù)荷電流、最高的環(huán)境溫度(通常為45℃)以及由變壓器溫度上升速率所決定的的最大動(dòng)作時(shí)間。

CLA短路保護(hù)
由于汽車環(huán)境的多變以及要給各種精密電子設(shè)備供電,CLAs(汽車點(diǎn)煙器電源適配器)必須要在很寬的溫度范圍和充電條件下工作。所以,CLAs經(jīng)常出現(xiàn)短路故障以及保險(xiǎn)絲燒毀的情形。通常,這些情形是由過電流、充電器電路故障或反向充電所引起。

在CLA輸入端接入過電流保護(hù)裝置,可以防止此類故障以及可能導(dǎo)致的損壞。這種裝置的具體保護(hù)要求是由終端設(shè)備的負(fù)載電流,以及CLA電源轉(zhuǎn)換電路的故障敏感性決定。通常是在CLA的輸入端,應(yīng)用過電壓保護(hù)器件,如瞬時(shí)限壓二極管提供過電壓保護(hù);結(jié)合自復(fù)式保護(hù)元件,如PPTC元件,即可提供一個(gè)“一插即可”的解決方案,對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)從而減少質(zhì)保返修。

圖3中是一個(gè)PolySwich自復(fù)元件和一個(gè)瞬時(shí)限壓(TVS)二極管提供輸入保護(hù)。IC用于控制DC/DC降壓轉(zhuǎn)換,由PPTC獨(dú)用或與TVS相結(jié)合的保護(hù)措施可以防止以下四種故障造成的損壞。
負(fù)載過流:故障的車載電話導(dǎo)致過大的電流,會(huì)使PPTC動(dòng)作跳變至高阻狀態(tài),直至故障排除。

轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障時(shí)的汽車電路保護(hù):如果轉(zhuǎn)換器或控制IC失效,短路電流會(huì)使PPTC動(dòng)作跳變至高阻狀態(tài),以保護(hù)汽車的線束及保險(xiǎn)絲。

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間:發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)峰值電壓,該電壓通常會(huì)被TVS二極管抑制。然而,如果瞬時(shí)電壓值過大,可能會(huì)超過TVS二極管的承受能力。而如果使用了PPTC,就可以在過量電流損壞TVS以前動(dòng)作并限流,從而起到保護(hù)TVS的作用。

極性倒置:如果使用了不正確的汽車電池,TVS二極管將會(huì)正向?qū)ǎ^大電流通過PPTC導(dǎo)致其動(dòng)作跳變至高阻狀態(tài),從而保護(hù)TVS,并將流過轉(zhuǎn)換器的反向電壓限制在TVS正向電壓降水平下。

選擇PPTC元件時(shí),必須考慮最大負(fù)載電流、最高環(huán)境溫度、以及為防止其他部件損壞所要求的最大動(dòng)作時(shí)間。根據(jù)這些參數(shù),可以選擇插腳式或表面貼裝式的自復(fù)器件。

結(jié)語
PPTC元件在廣泛的電路保護(hù)應(yīng)用中顯示了其卓越的性能,并有UL,CSA和TUV的安全認(rèn)證。PPTC裝置提供可靠、自復(fù)式的電路保護(hù),有效減少巨額的質(zhì)保返修。

作者簡(jiǎn)介:Frank Owen先生在便攜式電子通訊產(chǎn)品方面擁有十多年設(shè)計(jì)、開發(fā)以及市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),在英國(guó)倫敦大學(xué)獲得BSEE學(xué)位,在瑞士Lausanne管理開發(fā)學(xué)院獲得MBA學(xué)位;現(xiàn)任泰科電子集團(tuán)Raychem電路保護(hù)部的便攜式電子設(shè)備市場(chǎng)總監(jiān)。

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