便攜式電子設(shè)備、充電器和電源適配器的過流保護元件PPTC

便攜式電子設(shè)備、充電器和電源適配器的過流保護元件PPTC?

1引言

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上購買電源適配器以及所謂的通用充電器，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，從而將會導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至帶來安全隱患。

由于體積小巧，熔斷保險絲一度被廣泛應(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)上都是瞬時性的，可復(fù)式電路保護元件的應(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)一些其他元器件，如齊納二極管、瞬時限壓二極管或消弧電路，還可以起到防過壓作用。

圖1典型的蓄電池充電電路保護

2蓄電池充電電路保護

圖1是一個典型的電池充電電路。其中，交流電通過AC/DC電源適配器轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m電壓對電池組進行充電。PPTC元件與過壓保護元件協(xié)調(diào)作用共同完成下列工作：

1）針對可能損壞FET以及電池組的過大電流，提供過電流保護。

2）極性倒置時，PPTC通過動作以限制由于齊納二極管正向?qū)ǘa(chǎn)生的過電流。

3）在過電壓元件對電壓過載提供保護時，由PPTC元件對導(dǎo)通電流進行限制，以保護過壓器件。

PPTC元件也可以用于接電池組的裝置的端口，以保護由于使用有故障或不匹配的電池組而帶來的過電流損害。對各種免提式汽車通話裝置或耳機等供電時，電池組輸出端保護亦能提供理想的保護功能。

3AC/DC電源適配器保護

AC/DC電源適配器被廣泛地使用于電池充電中，以及為各種消費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)計更加簡化，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熱保護。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)。

圖2PPTC用變壓器次級線圈的過熱保護特性

圖3典型的CLA電路保護

雖然PPTC元件的過電流保護效果非常顯著，但其本身所具有的溫度衰減特性卻鮮受關(guān)注，事實上，這種特征非常適合在過熱故障時提供有效保護。

一些變壓器線圈通過內(nèi)置溫度保險絲，可以具有過熱保護功能。但由于溫度保險絲為一次性元件，不適用于防止瞬間故障，如輸出端短路或輸入電壓波動的故障情況。而CPTC（陶瓷PTC）元件則因為有阻抗較高的缺點，會導(dǎo)致在正常工作條件下也產(chǎn)生過量的功率損耗。當(dāng)然通過提高絕緣材料的耐熱等級，也可以免去進一步的保護措施，但直接結(jié)果是變壓器成本大大增加。

圖2顯示出PPTC元件用于變壓器次級線圈的過熱保護特性。實驗中，線性電源適配器輸出端被人為短路，因為線圈電阻的存在，輸出電流在1A左右。此時，次級線圈的溫度開始增加，當(dāng)達(dá)到100℃的時候，在溫度和電流的共同作用下PPTC元件動作，從而限制了次級線圈的電流，并制止了線圈溫度進一步上升。

選擇PPTC元件時，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作時間。

4CLA短路保護

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的。

在CLA輸入端接入過電流保護裝置，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的。通常是在CLA的輸入端，應(yīng)用過電壓保護器件，如瞬時限壓二極管提供過電壓保護；結(jié)合自復(fù)式保護元件，如PPTC元件，即可提供一個“一插即可”的解決方案，對電路進行保護從而減少質(zhì)保返修。

圖3顯示一個典型的CLA電路圖。圖3中是一個PolySwich自復(fù)元件和一個瞬時限壓（TVS）二極管提供輸入保護。IC用于控制DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器，由PPTC獨用或與TVS相結(jié)合的保護措施可以防止以下4種故障造成的損壞。

1）負(fù)載過流故障的車載電話導(dǎo)致過大的電流，會使PPTC動作跳變至高阻狀態(tài)，直至故障排除。

2）轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障時的汽車電路保護如果轉(zhuǎn)換器或控制IC失效，短路電流會使PPTC動作跳變至高阻狀態(tài)，以保護汽車的線路及保險絲。

3）發(fā)動機啟動瞬間發(fā)動機啟動時會產(chǎn)生瞬時峰值電壓，該電壓通常會被TVS二極管抑制。然而，如果瞬時電壓值過大，可能會超過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以前動作并限流，從而起到保護TVS的作用。

4）極性倒置如果汽車電池極性倒置，TVS二極管將會正向?qū)?，過大電流通過PPTC導(dǎo)致其動作跳變至高阻狀態(tài)，從而保護了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，必須考慮可能通過的最大負(fù)載電流、最高環(huán)境溫度、以及為防止其它部件損壞所要求的最大動作時間。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。

5結(jié)語

PPTC元件在廣泛的電路保護應(yīng)用中顯示了卓越的性能，并有UL，CSA和T?V的安全認(rèn)證。PPTC為裝置提供了可靠、自復(fù)式的保護，有效地減少了巨額的質(zhì)保返修，大大提高了客戶的滿意程度。