PPTC器件的自恢复原理

 

 

保护电子电路免于因过大电流或过热引起的损害是许多电路保护技术的主要功能。过去，这种保护采取熔断器或熔丝的形式，但在今天的许多应用中，自复式器件，如聚合物正温度系数 (PPTC) 器件、陶瓷PTC器件、双金属断路器和恒温器成为首选的解决方案。这些器件在故障事件发生后无需进行更换，可以在电源切断或过流条件消除后使电路恢复到正常工作状态。这种自复式功能可以帮助制造商降低保修、服务和维修成本; 然而，正确的应用这些器件需要了解器件复位的原理以及在复位之前需要符合甚么样的电路条件。

 

虽然“自复式保险丝”有时是用来形容PPTC器件的一个术语，但是事实上，它们不是保险丝，而是限制电流的非线性热敏电阻。由于所有的PPTC器件在故障条件下会进入高阻状态，正常的运行仍然会在部分电路产生危险的电压。电路设计人员能清楚认识到保险丝和PPTC器件之间的关键差异极为重要。

保险丝是电流中断器件，而且一旦保险丝“激活”，电路即被中断，电路中不再存在电流。这种电气中断(或开路)是一种永久性的状态。然而，当PPTC器件跳闸至高阻状态，仍会有少量的电流继续流过器件。PPTC器件需要一个低焦耳加热的泄漏电流或外部热源以使其保持跳闸状态。一旦故障条件被排除，重新通电，该热源即被消除。器件便可返回至低阻状态从而使电路恢复到正常运行状态。

 

与其他过流保护元件相比，有什么不同？

 

尽管自复式器件的固有优势很明显，但在某些情况下保险丝可能是电路保护的首选形式。在恢复正常运行后会构成潜在的安全隐患或在故障条件发生后需要在设备上执行服务的条件下，保险丝或断路器是更为合适的方案。例如，在垃圾处理机上建议使用保险丝，因为如果当电机突然恢复运作时刀片可能会造成严重的伤害。但是自复式PPTC器件在保护可能在持续高音量状态下的过大功率而受损的扬声器线圈时是一种合乎逻辑的解决方案。

不了解这种器件自复式功能的确切性质会导致在电路中PPTC器件使用不当。如果设计人员正在用PPTC器件与其他自复式器件，如陶瓷PTC器件、双金属恒温器、和按钮式断路器做比较，那么将会带来更多困惑。下表(图1)描述了这些过流保护器件的复位动作。在选择过流保护器件时，设计人员还必须考虑复位条件、恢复时间和可能影响到器件性能的环境条件。

PPTC器件的工作原理

 

PPTC电路保护器件由半结晶聚合物和导电离子的聚合物制成。在正常温度时，导电粒子在聚合物中形成低电阻网络(图2)。但当温度升高到器件的动作温度(Tsw)之上时，无论是因通过器件的高电流造成的还是由于环境温度升高引起的，聚合物中的晶粒融化并形成非晶态。在晶相的融化过程中，体积上的增加将导电离子分开，从而使器件的电阻产生大的非线性增加。

电阻通常以三个或更多数量级增加，如图3所示，也就是所说的器件“跳闸”。升高的电阻有助于保护电路中的设备，方法是把故障条件下流动的电流降低至较低的稳态水平。故障被排除、电路重新加电前该器件将始终保持在锁闭(高电阻)位置- 在这段时间内导电复合材料逐步冷却并结晶，使PPTC器件恢复至低电阻状态，并使受到影响的设备恢复至正常工作状态。

最终，设计人员必须决定他们的应用中需要甚么样的保护级别，并且只有一项系统测试能确定指定的保护器件是否合适。器件制造商提供的建议有助于缩小选择范围，给其他保护方案设定基准也会有所帮助，但是实际的系统测试仍然是所选择的是否是正确的保护解决方案的决定性指标。

 

 

 

 

 

 

PPTC器件设计上的注意事项

 

在电路中设计PPTC器件时需要考虑的一些关键参数包括器件的保持和跳闸电流、环境条件对器件性能的影响、器件复位时间、跳闸状态下的泄漏电流、以及自动或手动复位条件。

 

保持电流和跳闸电流

 

图4说明了PPTC器件随温度变化的保持电流和跳闸电流情况。区域A描述了PPTC器件跳闸并保护电路所需的电流和温度组合状态。区域B描述了器件允许电路正常工作的电流和温度组合状态。区域C中，器件可能会跳闸也可能会保持在低电阻状态，这取决于单个器件的电阻和其所处的环境。

 

 

 

由于PPTC器件可以热激活，器件周围任何的温度变化都会影响器件的性能。随著器件周围的温度增加，使器件跳闸将需要更少的能量，因此，保持电流 (Ihold) 会降低。陶瓷PTO器件以及PPTC器件的制造商提供的热降额曲线以及保持电流和温度的关系表可以帮助设计人员选择合适的器件。

 

环境条件对器件性能的影响

 

器件的传热环境可以显著影响到器件的性能。 在一般情况下，通过增加器件的传热，在功耗、跳闸时间和保持电流上会有相应的增加。 相反，从器件的传热下降，这些指标会相应下降。此外，改变器件周围的热质量将会改变器件的跳闸时间。

 

PPTC器件的跳闸时间被定义为从故障电流开始到使器件跳闸所需的时间。跳闸时间取决于故障电流的大小和环境温度。当散失至环境中的热耗小于热产生率时会导致跳闸事件。如果产生的热量大于失去的热量，器件的温度会升高。温度上升的速率和使器件跳闸所需的总能量取决千故障电流和传热环境。在正常工作条件下，器件所产生的热和器件耗散至环境的热是平衡的。

 

其中:

= 流经器件的电流

R = 器件的电阻

U = 总传热系数

T = 器件温度

TA = 环境温度

 

电流或环境温度的增加、或者两者同时增加会导致器件达到其电阻迅速上升的温度。这种电阻上的巨大变化导致在电路中的电流相应减少，从而保护电路不受损坏。

 

保持电流是最高的稳态电流，器件将无限期保持，而不会从低阻状态高阻状态转换。保持电流可以由传热环境相对精确地定义，并可以因多种设计选择而受到影响，比如

l 将器件放置在发热源附近，如功率场效应晶体管、电阻器或变压器，会导致器件保持电流、功耗和跳闸时间降低。

l 增加与器件电气接触的轨迹或引线的尺寸，会导致传热增加以及保持电流更高、跳闸时间更慢、功耗更高

l 在连接至电路板之前将器件附加到一对长的电线上，会增加器件的引线长度，从而导致传热减少、降低器件的保持电流、功耗和跳闸时间。

 

器件复位时间

 

图5显示了在跳闸事件之后电阻恢复至稳定值会非常迅速，大部分恢复会在最初的几秒钟内完成。至于其他的电气性能，电阻恢复时间将取决于器件的设计和热环境。由于电阻恢复时间与器件的冷却时间相关，传热越大，恢复就越迅速。

 

 

 

跳闸状态下的泄漏电流

 

当PPTC器件被锁定在高阻状态时，允许通过器件的电流量是故障电流的一小部分。这部分电流可以通过以下公式进行计算 :

I = PD/VPS

其中

I = 在跳闸状态下器件的泄漏电流

PD = PPTC器件的功耗

Vps = PPTC器件两端的电压

 

自动复位条件

 

在大多数应用中，为了使PPTC器件复位并使电路恢复到正常工作状态，必须进行断电并消除故障条件。然而，在一定的条件下，PPTC器件可能会自动复位。一般情况下，如果在工作过程中可以改变电压，可以将自动复位功能设计到应用中。

 

前面提到的扬声器过载保护解决方案是这种情况的一个例子。低功率扬声器采用的高功率放大器在持续的高音量下会使扬声器功率过大而过载。

 

可以使用保险丝对扬声器进行保护，但是“熔断”的保险丝对与用户来说是令人沮丧的事，而且在保修期内就需要维修。断路器是一种备选的方案，但是在断路器打开时会产生电弧，并制造烦人的噪音。

 

在这种应用中通常使用PPTC器件，因为它们可以“软切换至高阻跳闸状态，并当源电压降低的时候自动复位至低电阻状态。典型的电路保护方法是将PPTC器件与扬声器串联。PPTC器件的型号必须合适，以使其在任何特定电流下的跳闸时间少于在这种电流下损坏扬声器所需的时间。(图6)随著源电压升高，通过PPTC器件的电流也会增加，最终造成器件跳闸并限制扬声器所遭受的功率。源电压降低到正常水平，整个PPTC的电压降降低。如果电压下降到足够低的水平，PPTC器件将返回到低电阻状态并自动复位。

 

 

 

当满足以下条件时，器件会自动复位：

 

 

其中:

V = 电路的工作电压

RL = 负载电阻

PD = PPTC器件的功耗

 

手动复位条件

 

在许多应用中，通过用户干预对PPTC器件进行复位是首选的方法，一些指示方法可以用来提示此动作。例如，在手机充电应用中，一个LED灯可以指示是否做出正确的连接，提示用户更换充电座中的手机。在计算机或多媒体应用中，不正确的连接可能会使计算机死机，迫使用户重新启动计算机。在电池驱动的玩具中，通过简单的开关切换可能是PPTC器件复位的唯一要求。在任何一种情况下，这些故障实质上是临时性的，而其复位功能对用户来说是明显的。

 

在某些应用中，不能对用户进行故障条件的提示可能会导致设备最终损坏。用来为计算机和其他关键任务设备提供后备电源的不间断电源UPS) 的次级侧上的过流保护方案便是这样一个例子。在过流故障的情况下，PPTC器件跳闸以保护充电器，但由于电池仍在供电，设备继续正常运行，用户可能不会意识到充电器已经出现了一次故障。

 

PPTC器件将保持锁定，直到从UPS上断开电源，所以只有少量的电流从充电器流电池。由于电池没有接收足够的补充电流，电池电量会用完并可能因反复的深放电而最终失去其性能。如果有一个故障指示灯提示用户对故障进行检查，拔下给UPS供电的电源，然后恢复充电电路，可以避免这种情况。

 

总结

PPTC电路保护器件被用以保护防止有害的过流浪涌和过热故障的损害。像传统的保险丝一样，PPTC器件在故障条件下会限制危险的高电流流动。然而，在故障排除并重新通电后，PPTC器件会自动复位。了解这些器件的确切性质可以有助于设计人员开发更为可靠的设备并减少保修、服务和维修费用。