PPTC器件的自恢復原理

蘇幕遮 JLE電路保護與器件

保護電子電路免于因過大電流或過熱引起的損害是許多電路保護技術的主要功能。過去，這種保護采取熔斷器或熔絲的形式，但在今天的許多應用中，自復式器件，如聚合物正溫度系數 (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)生后無需進行更換，可以在電源切斷或過流條件消除后使電路恢復到正常工作狀態(tài)。這種自復式功能可以幫助制造商降低保修、服務和維修成本;然而，正確的應用這些器件需要了解器件復位的原理以及在復位之前需要符合甚么樣的電路條件。

雖然“自復式保險絲”有時是用來形容PPTC器件的一個術語，但是事實上，它們不是保險絲，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進入高阻狀態(tài)，正常的運行仍然會在部分電路產生危險的電壓。電路設計人員能清楚認識到保險絲和PPTC器件之間的關鍵差異極為重要。

保險絲是電流中斷器件，而且一旦保險絲“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PPTC器件跳閘至高阻狀態(tài)，仍會有少量的電流繼續(xù)流過器件。PPTC器件需要一個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)從而使電路恢復到正常運行狀態(tài)。

與其他過流保護元件相比，有什么不同？

盡管自復式器件的固有優(yōu)勢很明顯，但在某些情況下保險絲可能是電路保護的首選形式。在恢復正常運行后會構成潛在的安全隱患或在故障條件發(fā)生后需要在設備上執(zhí)行服務的條件下，保險絲或斷路器是更為合適的方案。例如，在垃圾處理機上建議使用保險絲，因為如果當電機突然恢復運作時刀片可能會造成嚴重的傷害。但是自復式PPTC器件在保護可能在持續(xù)高音量狀態(tài)下的過大功率而受損的揚聲器線圈時是一種合乎邏輯的解決方案。

不了解這種器件自復式功能的確切性質會導致在電路中PPTC器件使用不當。如果設計人員正在用PPTC器件與其他自復式器件，如陶瓷PTC器件、雙金屬恒溫器、和按鈕式斷路器做比較，那么將會帶來更多困惑。下表(圖1)描述了這些過流保護器件的復位動作。在選擇過流保護器件時，設計人員還必須考慮復位條件、恢復時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電路保護器件由半結晶聚合物和導電離子的聚合物制成。在正常溫度時，導電粒子在聚合物中形成低電阻網絡(圖2)。但當溫度升高到器件的動作溫度(Tsw)之上時，無論是因通過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)。在晶相的融化過程中，體積上的增加將導電離子分開，從而使器件的電阻產生大的非線性增加。

電阻通常以三個或更多數量級增加，如圖3所示，也就是所說的器件“跳閘”。升高的電阻有助于保護電路中的設備，方法是把故障條件下流動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-在這段時間內導電復合材料逐步冷卻并結晶，使PPTC器件恢復至低電阻狀態(tài)，并使受到影響的設備恢復至正常工作狀態(tài)。

最終，設計人員必須決定他們的應用中需要甚么樣的保護級別，并且只有一項系統(tǒng)測試能確定指定的保護器件是否合適。器件制造商提供的建議有助于縮小選擇范圍，給其他保護方案設定基準也會有所幫助，但是實際的系統(tǒng)測試仍然是所選擇的是否是正確的保護解決方案的決定性指標。

PPTC器件設計上的注意事項

在電路中設計PPTC器件時需要考慮的一些關鍵參數包括器件的保持和跳閘電流、環(huán)境條件對器件性能的影響、器件復位時間、跳閘狀態(tài)下的泄漏電流、以及自動或手動復位條件。

保持電流和跳閘電流

圖4說明了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，器件可能會跳閘也可能會保持在低電阻狀態(tài)，這取決于單個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系表可以幫助設計人員選擇合適的器件。

環(huán)境條件對器件性能的影響

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，通過增加器件的傳熱，在功耗、跳閘時間和保持電流上會有相應的增加。相反，從器件的傳熱下降，這些指標會相應下降。此外，改變器件周圍的熱質量將會改變器件的跳閘時間。

PPTC器件的跳閘時間被定義為從故障電流開始到使器件跳閘所需的時間。跳閘時間取決于故障電流的大小和環(huán)境溫度。當散失至環(huán)境中的熱耗小于熱產生率時會導致跳閘事件。如果產生的熱量大于失去的熱量，器件的溫度會升高。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，器件所產生的熱和器件耗散至環(huán)境的熱是平衡的。

其中:

=流經器件的電流

R =器件的電阻

U =總傳熱系數

T =器件溫度

TA =環(huán)境溫度

電流或環(huán)境溫度的增加、或者兩者同時增加會導致器件達到其電阻迅速上升的溫度。這種電阻上的巨大變化導致在電路中的電流相應減少，從而保護電路不受損壞。

保持電流是最高的穩(wěn)態(tài)電流，器件將無限期保持，而不會從低阻狀態(tài)高阻狀態(tài)轉換。保持電流可以由傳熱環(huán)境相對精確地定義，并可以因多種設計選擇而受到影響，比如

將器件放置在發(fā)熱源附近，如功率場效應晶體管、電阻器或變壓器，會導致器件保持電流、功耗和跳閘時間降低。

增加與器件電氣接觸的軌跡或引線的尺寸，會導致傳熱增加以及保持電流更高、跳閘時間更慢、功耗更高

在連接至電路板之前將器件附加到一對長的電線上，會增加器件的引線長度，從而導致傳熱減少、降低器件的保持電流、功耗和跳閘時間。

器件復位時間

圖5顯示了在跳閘事件之后電阻恢復至穩(wěn)定值會非常迅速，大部分恢復會在最初的幾秒鐘內完成。至于其他的電氣性能，電阻恢復時間將取決于器件的設計和熱環(huán)境。由于電阻恢復時間與器件的冷卻時間相關，傳熱越大，恢復就越迅速。

跳閘狀態(tài)下的泄漏電流

當PPTC器件被鎖定在高阻狀態(tài)時，允許通過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以下公式進行計算 :

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

自動復位條件

在大多數應用中，為了使PPTC器件復位并使電路恢復到正常工作狀態(tài)，必須進行斷電并消除故障條件。然而，在一定的條件下，PPTC器件可能會自動復位。一般情況下，如果在工作過程中可以改變電壓，可以將自動復位功能設計到應用中。

前面提到的揚聲器過載保護解決方案是這種情況的一個例子。低功率揚聲器采用的高功率放大器在持續(xù)的高音量下會使揚聲器功率過大而過載。

可以使用保險絲對揚聲器進行保護，但是“熔斷”的保險絲對與用戶來說是令人沮喪的事，而且在保修期內就需要維修。斷路器是一種備選的方案，但是在斷路器打開時會產生電弧，并制造煩人的噪音。

在這種應用中通常使用PPTC器件，因為它們可以“軟切換至高阻跳閘狀態(tài)，并當源電壓降低的時候自動復位至低電阻狀態(tài)。典型的電路保護方法是將PPTC器件與揚聲器串聯(lián)。PPTC器件的型號必須合適，以使其在任何特定電流下的跳閘時間少于在這種電流下?lián)p壞揚聲器所需的時間。(圖6)隨著源電壓升高，通過PPTC器件的電流也會增加，最終造成器件跳閘并限制揚聲器所遭受的功率。源電壓降低到正常水平，整個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)并自動復位。

當滿足以下條件時，器件會自動復位：

其中:

V =電路的工作電壓

RL =負載電阻

PD = PPTC器件的功耗

手動復位條件

在許多應用中，通過用戶干預對PPTC器件進行復位是首選的方法，一些指示方法可以用來提示此動作。例如，在手機充電應用中，一個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。在計算機或多媒體應用中，不正確的連接可能會使計算機死機，迫使用戶重新啟動計算機。在電池驅動的玩具中，通過簡單的開關切換可能是PPTC器件復位的唯一要求。在任何一種情況下，這些故障實質上是臨時性的，而其復位功能對用戶來說是明顯的。

在某些應用中，不能對用戶進行故障條件的提示可能會導致設備最終損壞。用來為計算機和其他關鍵任務設備提供后備電源的不間斷電源UPS)的次級側上的過流保護方案便是這樣一個例子。在過流故障的情況下，PPTC器件跳閘以保護充電器，但由于電池仍在供電，設備繼續(xù)正常運行，用戶可能不會意識到充電器已經出現了一次故障。

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。由于電池沒有接收足夠的補充電流，電池電量會用完并可能因反復的深放電而最終失去其性能。如果有一個故障指示燈提示用戶對故障進行檢查，拔下給UPS供電的電源，然后恢復充電電路，可以避免這種情況。

總結

PPTC電路保護器件被用以保護防止有害的過流浪涌和過熱故障的損害。像傳統(tǒng)的保險絲一樣，PPTC器件在故障條件下會限制危險的高電流流動。然而，在故障排除并重新通電后，PPTC器件會自動復位。了解這些器件的確切性質可以有助于設計人員開發(fā)更為可靠的設備并減少保修、服務和維修費用。

審核編輯 黃宇