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PPTC过流保护的应用

       本文介绍PPTC(即自恢复保险丝)过流保护在便携式电子设备、电流电配器和充电器中的应用。

一、便携式电子设备保护
       便携式电子设备,例如蜂窝电话、PDA和手提电脑的电源都有特殊的过流保护要求。这些设备一般是通过AC/DC电源适配器供(充)电,将市电或未经稳压的直流电转变为合适的低压直流电。由于越来越多的人开始在零配件市场上购买电源适配器以及通用充电器,将不兼容或有故障的电源适配器应用于便携式设备的可能性也就大大增加。由于电源适配器的电压、极性以及电流都可能与该设备的电路规范不相吻合,从而将会导致损坏甚至带来安全隐患。

       体积小,熔断式保险丝,一度被广泛应用于便携式电子设备中。然而,由于新型micro系列的诞生,自恢复式电路保护元件的体积已不再成为其制约瓶颈。并且,由于此类设备出现的大多数故障本质上都是瞬时性的,自恢复式电路保护元件的应用可使生产商避免小故障大维修的高额成本。

       通过在电源接口串联一个高分子正温度系数(PPTC)元件,因电源适配器不兼容而造成的过流损坏就可以被有效避免。另外,如果再并联一些其他元件如:齐纳二极管、瞬时限压二极管或消弧电路,还可以起到防过压作用。

       如图1所示,未经整流的直流电通过电源适配器转变为合适电压对电池组进行充电。自恢复保险丝元件与过压保护元件协调作用共同完成下列工作:
①针对可能损坏FET以及电池组的过大电流,提供过电流保护。
②极性倒置时, 自恢复保险丝通过动作以限制由于齐纳二极管正向导通而产生的过电流。
③在过电压元件对电压过载提供保护时,由自恢复保险丝元件对导通电流进行限制,以保护过压器件。
④自恢复保险丝也可以用于连接电池组的器件端口,以保护因为使用有故障或不匹配的电池组而带来的过电流损害。对各种免提式汽车通话装置或耳机等供电时,电池组输出端保护亦提供理想的保护功能。


图1典型的电池充电电路

二、AC/DC电源适配器保护
       AC/DC电源适配器被广泛地使用于电池充电应用中,以及为各种消费类电器提供低成本直流电源。使用分离的AC/DC电源适配器,可使终端设备的设计更加简化,并便于通过各类认证标准。

       各种电源适配器都有其安全和可靠性要求,包括短路电流限制和变压器线圈过温保护。如果线圈超过了绝缘材料所规定的温度,绝缘层就可能损坏并导致变压器短路,甚至引发火灾。虽然自恢复保险丝元件的过电流保护效果非常显著,但其本身所具有的温度衰减特性却鲜受关注,而这种特征非常适合在过热故障时提供有效保护。

       一些变压器线圈通过内置温度保险丝,可以具有过温保护功能。但由于温度保险丝为一次性元件,不适合用于防止瞬间故障,如输出端短路或输入电压波动的故障情况。而CPTC(陶瓷PTC)元件则因为有阻抗较高的缺点,会导致在正常工作条件下也产生过量的功率损耗。通过提高绝缘材料的耐热等级,也可以免去进一步的保护措施,但直接结果是变压器成本大大增加。

       实验中,线性电源适配器输出端被人为短路,因为线圈电阻的存在,输出电流在1安培左右。此时,次级线圈的温度开始增加,当达到100℃的时候,温度和电流的共同作用引起自恢复保险丝元件动作,从而限制了次级线圈的电流,并制止了线圈温度进一步上升,如图2所示。

       选择自恢复保险丝元件时,需要考虑可以通过的最大负荷电流、最高的环境温度(通常为45℃)以及由变压器温度上升速率所决定的的最大动作时间。


图2 PPTC元件用于变压器次级线圈所发挥的过热保护特性
三、CLA短路保护
       由于汽车环境的多变以及要给各种精密电子设备供电,CLAs(汽车点烟器电源适配器)必须要在很宽的温度范围和充电条件下工作。所以,CLAs经常出现短路故障以及保险丝烧毁的情形。通常,这些情形是由过电流、充电器电路故障或反向充电所引起。

       在CLA输入端接入过电流保护装置,可以防止此类故障以及可能导致的损坏。这种装置的具体保护要求是由终端设备的负载电流,以及CLA电源转换电路的故障敏感性决定。通常是在CLA的输入端,应用过电压保护器件,如瞬时限压二极管提供过电压保护;结合PPTC元件,如自恢复保险丝元件,即可提供一个“一插即可”的解决方案,对电路进行保护从而减少质保返修。

       图3中是一个PolySwich自恢复保险丝元件和一个瞬时限压(TVS)二极管提供输入保护。IC用于控制DC/DC降压转换,由自恢复保险丝元件独用或与TVS相结合的保护措施可以防止以下四种故障造成的损坏。
①负载过流:故障的车载电话导致过大的电流,会使自恢复保险丝动作跳变至高阻状态,直至故障排除。
②转换器发生故障时的汽车电路保护:如果转换器或控制IC失效,短路电流会使自恢复保险丝动作跳变至高阻状态,以保护汽车的线束及保险丝。
③发动机启动瞬间:发动机启动时,发电机会产生瞬时峰值电压,该电压通常会被TVS二极管抑制。然而,如果瞬时电压值过大,可能会超过TVS二极管的承受能力。而如果使用了自恢复保险丝元件,就可以在过量电流损坏TVS以前动作并限流,从而起到保护TVS的作用。

       极性倒置:如果使用了不正确的汽车电池,TVS二极管(瞬态电压抑制二极管)将会正向导通,过大电流通过自恢复保险丝导致其动作跳变至高阻状态,从而保护TVS,并将流过转换器的反向电压限制在TVS正向电压降水平下。

       选择自恢复保险丝元件时,必须考虑最大负载电流、最高环境温度、以及为防止其他部件损坏所要求的最大动作时间。根据这些参数,可以选择插脚式或表面贴装式的自复器件。

图3 典型的CLA电路图
结语:
PPTC元件在广泛的电路保护应用中显示了其卓越的性能,并有UL,CSA和TUV的安全认证。PPTC装置提供可靠、自复式的电路保护,有效减少巨额的质保返修。

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