PPTC过流保护片,自复保险丝在充电电池上电路保护方案

yu9988

PPTC过流保护片,自复保险丝在充电电池上电路保护方案

手机电池中的NTC与PTC

本文介绍了正温度系数热敏电阻（PTC）和负温度系数热敏电阻（NTC）的工作原理，说明了它们在手机电池中所起的不同作用，并对其应用作了简要说明。

    关键词： 正温度系数热敏电阻(PTC)；负温度系数热敏电阻（NTC）  温度特性  过流保护

     随着移动通讯业在国内的迅猛发展，国内的手机消费者越来越多，由于手机是靠电池供电的产品，在电池内部通常都会带有一个PTC和NTC，很多人不明白它们在电池中所起的作用，本文对此作一阐述。  

     在手机电池内部的PTC和NTC都是属于热敏电阻器，热敏电阻器按其阻抗与温度特性分为正温度系数（PTC）热敏电阻器和负温度系数（NTC）热敏电阻器。PTC是Positive  Temperature Coefficient的英文首字缩写，其含义为正温度系数，NTC是Negative Temperature Coefficient  的英文首字缩写，其含义为负温度系数，通常为方便起见，常将这两种电阻简称为PTC和NTC。

一、手机电池内的PTC热敏电阻介绍

     通常意义上的PTC是指一种以钛酸钡为主要成分的高技术半导体功能陶瓷材料，具有电阻值随着温度变化而变化的特性，特别是在居里温度点附近电阻值跃升有3——7个数量级。此种PTC利用其最基本的电阻温度特性及电压——电流特性与电流——时间特性，已广泛应用于工业电子设备，汽车及家用电器等产品中，以达到自动消磁、过热过流保护，马达启动，恒温加热，温度补偿、延时等作用。

    电池内的PTC与上述PTC并不相同，通常被称之为“自恢复保险丝”，英文名称为“Polyswitch”，其含义为高分子聚合物开关，它是近几年出现的新型正温度系数过流过温保护元件，它的特点是当温度达到某定值时，其电阻值会显著增加，呈高阻状态，相当于断开回路，而当使温度降低后，它便自动复位导通，恢复至低阻状态，并且这种断开-自动恢复过程可重复数千次，目前主要用于小功率电子设备的短路及过载保护。  

?　自恢复保险丝主要以经过特殊处理的聚合树酯(Polymer)为基础，掺入导体（如碳元素）而构成。在正常情况下，聚合树酯将导体微粒紧密束缚于结晶状的结构内，构成一种低阻抗(几毫欧至几十毫欧)炼键，线路上流经自恢复保险丝的电流所产生的热量很小，不会改变聚合树酯的晶状结构，从而电路保持低阻导通。然而，当电流急剧增加时，自复保险丝的温度也会在很短时间内迅速上升，过高的温度会使聚合树酯由结晶状变成胶状，这时被束缚在聚合树酯上的导体便会分离，阻抗迅速提高，使回路的电流迅速变小，达到保护目的，在回路电流变小后，若导致过流的故障并未排除，回路中仍会保持一定的电流值，该电流会使PTC保持在发热状态，并维持高阻态，待过流故障排除后，温度下降，导体炼键又重新建立，PTC会自动恢复成低阻抗导体。  

自恢复保险丝的保护动作时间是衡量它好坏的一个重要参数，该参数与其内阻、环境温度和动作前所流过的电流大小有关，环境温度越高，内阻或电流越大，其温度上升越快，因此其保护动作越快。  

     由于自恢复保险丝是串联在电源电路中使用，在流过电流时，需要消耗一定的电能，因此它的内阻也是一个重要参数，从耗能与对外供电能力上看，其内阻越小越好，但内阻小会使过流保护时的反应速度变慢，并会使保护后维持其发热的电流较大，因此在实际使用中，应按具体的应用情况来选择合适规格的PTC。  

    由于自恢复保险丝的以上特性，在手机电池中被广泛应用于过流和短路保护，使电池的安全性得以提高。

　　自恢复保险丝的型号、规格很多，仅美国瑞侃公司生产的就有十多个系列，每一系列又有十几个规格。  

二、手机电池中的NTC热敏电阻介绍

     对于许多从事电子行业的人来说，对NTC热敏电阻并不陌生，它是一种以过渡金属氧化物为主要原材料，采用电子陶瓷工艺制成的热敏半导体陶瓷元件，它的电阻值随温度升高而降低，利用这一特性可制成测温、温度补偿和控温元件，又可以制成功率型元件，抑制电路的浪涌电流。它的价格低廉，在电子产品中被广泛应用，而且具有多种封装型式，能够很方便地应用到各种电路中。  

     电池中的NTC大多数为贴片封装，其大小从0402到0805都有，它在电池中主要起温度监测的作用，在电池的充、放电过程中，手机根据其阻值大小来判断电池温度，而后作相应控制，如停止充电或涓流充电等。  

     NTC根据材料、工艺等不同情况，有不同的阻值和温度变化特性，其阻值随温度的变化曲线是非线性的，其特性符合以下公式：

     式中的R25是热敏电阻在25℃室温下的阻值，B是热敏电阻材料的开尔文(Kelvins)常数，T是热敏电阻的实际摄氏温度。

     对常温下同样阻值的热敏电阻，由于其B值的不同，其电阻-温度特性曲线将有很大的差异，下图为阻值相同而B值不同的NTC热敏电阻的温度特性曲线。  

     从上图可以看出，即使常温下相同阻值的热敏电阻，由于B值的不同，无论在高温还是低温中，其阻抗变化均不一样，因此在使用中，根据实际情况不仅要选用适当阻值的NTC，同时还要考虑选用适当B值的NTC。在热敏电阻厂家提供的型号规格中，除了阻值、B值与封装外，还包括阻值误差精度和B值误差精度，在精密测量中，此点尤为要注意。  

     NTC的型号、规格也很多，国外的知名厂家有日本三菱、日本TDK、日本立山、韩国的EXPAND等等，国内也有不少厂家，某些品牌的质量也相当不错。  

三、PTC和NTC在手机电池中的应用实例

     下图为某品牌诺基亚3310手机电池的典型电路图，该电路组装在一个小电路板上，放置于电池内部，图中的FA1为自恢复保险丝，其型号为美国瑞侃公司的VTP210S，它装配在电池的侧面，串联在电芯的正极与输出正极之间，起温度保护与过流保护的作用。  

     图中的RT为热敏电阻，为贴片封装，装配在电池前端的电路板上，其阻值为10k，B值为4000K。在电路中起温度检测的作用，手机通过它来判断电池温度。图中的R3为ID电阻，手机用其判断电池类型，在3310手机电池中，ID电阻为75k的是锂离子电池，ID电阻为5k6的是镍氢电池，锂离子电池与镍氢电池所用的热敏电阻一样。  

     需要说明的另外一点是，在锂离子电池中的PTC是起第二重保护作用，假设在电池被短路情况下，由于保护电路的反应速度（微秒极，典型值为5微秒）远快于PTC的反应速度，因此最先起保护作用的是保护电路，在保护电路失效后，PTC才起作用。但由于在镍氢电池中无需保护电路，因此只靠PTC起保护作用。  

     图中虚框内为锂离子电池保护电路，该保护回路由两个MOSFET（V1、V2）和一个控制IC（N1）外加一些阻容元件构成。控制IC的VDD与V-分别负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，C3为延时电容，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能。

PPTC电池保护片是由聚合物与导电填料组成的,在正常工作状态下,导电填料构成导电通路,使元件处于低阻状态.当出现故障产生异常电流时,导电通路相应断开,导致PPTC阻值迅速升高从而限制了异常电流,避免电路中相应元件的损坏.当故障排除后,导电填料又重新构成导电通路,PPT阻值又恢复低阻状态,电路正常工作.PPTC电池保护片具有内阻小、尺寸较小、寿命较长、反应灵敏、安装简单的特点.PPTC电池保护片除了在电流过大时起保护作用,这类元件在温度过高时也具有保护作用,因为PPTC元件本身在受热时,在较低电流时它便进入高阻状态.
目前市场上越来越多的体积小、重量轻的锂离子和锂聚合物电池.这些新型充电电池对保护电路的要求日益复杂.为了适应这个要求,PPTC保护器件制造商不断努力减小器件电阻,从而降低它本身消耗的电能,同时PPTC保护片的可恢复保护功能可以避免一次性热熔断丝的误动作而带来的麻烦.
滥充会造成电池的温升过高.锂电池组中通常有过压及过流检测安全保护电路(包括集成电路及MOSFET),此外仍需串联PPTC器件.虽然半导体电路一般是很可靠的,然而在某些情况下会发生故障,例如静电放电过强、温度过高以及短路时出现的振荡.
     如果没有温度保护,同时电压保护电路失效,电池就会在过充或滥充时产生过多热量,引起内部损坏.这都会使电池破裂、漏液、冒烟、甚至燃烧.
     低电阻PPTC保护器件在温升过高时可以降低充电电流.PPTC保护器件是和电池组里面的原电池串联在一起,无论温升是由于外面出现短路造成还是由于过度充电引起,它都可以起保护作用,不再需要热熔断丝或者双金属断路器。