保护无线电子产品的电路

无线电子产品（例如移动电话或者PDA），无论是在直接供电还是充电时，都需要AC/DC电源转换器来将电网电压或者是未经过稳压的直流电压转换成一个较低电平的直流电压。今天，随着AC/DC电源转换器配件以及各种通用充电器纷纷进入市场，使用不合适的AC/DC电源转换器从而造成危险的可能性也越来越大。AC/DC电源转换器的输出电压、电流、极性可能会超出或违背这些电子产品的内部电路规范，因此可能损坏电路甚至引起安全问题。

通常使用一次性熔断丝会比较便宜，但它的缺点是只能用一次，同时容易产生误动作。使用专用接插件是另一个常用的方法。但通常只需数天，其它配件制造商就能仿制出同样的专用接插件，于是仍然会出现接插错误并引起严重的损坏。例如，通过增大组件的击穿电压以增大输出电流将会导致设备的功耗过高。

在过去，人们采用一次性熔断丝有时只是因为它的尺寸小。然而随着新的微型可恢复保护器件进入市场，尺寸不再是这类保护器件的障碍。此外，因为在无线设备中出现的故障大多数是暂时性的，使用可恢复保护器件就能避免不菲的产品保修成本。

通过将PPTC器件串联在电源接口处，或者再并联一只限压器件，例如齐纳二极管、瞬态电压抑制二极管或者电压过载保护器，就可以避免不匹配的电源转换器所带来的损坏。

图1　一个电池充电器的电路（略）

图1是一个典型的电池充电器的电路。在这个电路中，未经稳压的电源转换器直流输出电压经过稳压电路调制，转变成适当的电压对电池进行充电。PPTC器件和电压过载保护器件相互配合，可以对以下故障起保护作用：

·过大电流：过大的电流可能会损坏功率FET或者电池组。

·极性接反：这时二极管导通，PPTC器件进入高阻抗状态从而限制电流。
·电压过高：这时电压过载保护器件起作用，PPTC器件则限制电流。

PPTC器件还可以装在电池组的输入端，这样更增加一层保护作用。如果设备是为耳机、汽车免提设备这类有源附件供电时，在电源输出端，也需要保护。

图2　条状的PPIC保护器件安装在蜂窝手机电池组中的示意图（略）


电池组的保护

消费者要求便携式产品具有更长的工作时间。这个要求推动人们去研制体积更小、质量更轻的锂离子和锂聚合物电池。为适应这些新型化学电池日趋复杂的保护电路要求。PPTC保护器件制造商不断努力以减小器件电阻，从而减小其能量消耗。

瑞侃电路保护器件部最近推出新型条状电池保护器件，它使用全新材料，与以前的产品相比，可以降低电阻35 %左右。这种新的低电阻器件能够同时起到电流过载保护及温度保护的作用。它是专为降低电池组阻抗、满足更长工作时间要求的便携式电子产品而设计的。此外，这些器件可恢复的保护功能可以免除因一次性热熔断丝误动作而带来的麻烦。

由滥充而引起的电池过温是电池组设计人员主要关心的问题。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。因为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，例如过强的静电放电、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。

瑞侃公司新的低电阻PPTC保护器件在温升过高时可以降低充电电流。通过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的还是由于过度充电引起的，该保护器件都可以发挥保护作用，不再需要热熔断丝或者双金属断路器。该器件采用镍做引脚，尺寸又小又薄，因而可以直接焊到原电池上，既节省空间，又降低安装费用

CLA电路保护

点烟器电源转换器（CLA）的工作温度范围很宽，注定其充电环境变化很大，这是因为汽车所处的环境很恶劣，而在电气方面的要求又很严格。于是CLA常常出现故障，导致短路及熔断丝熔断。出现的故障主要有三种类型。

·第一种是，电流过大。当移动电话出现故障，或者当它从充电器上吸取的电流太多时，将损坏充电器或者汽车电路。

·第二种故障是充电器电路的故障。CLA充电器的电路出现故障会把它里面的熔断丝烧断，或者损坏汽车的电气线路。

·第三种故障是极性接反。汽车电池有可能被意外地反接，结果将是损坏移动电话充电器的电路。

在CLA的输入端安装一只电流保护器件就可以避免这些故障及所造成的损坏。终端设备的负载电流，以及CLA本身功率转换电路对故障的敏感程度，都是决定保护要求的主要因素。一般而言，在CLA的输入端，过电流保护器件是与瞬态电压抑制二极管这类电压过载保护器件一起使用的。

传统的汽车保护方案是使用普通的熔断保险丝，它只能用一次，之后就要更换新的。这个方案的问题是，大多数的用户对于更换CLA充电器中的熔断丝感到很难。首先，必须知道在那里面有熔断丝。其次，必须确定，是什么类型的熔断丝。最后，还要知道如何在更换熔断丝的同时不损坏充电器。对于用户而言，在出现故障时，整个过程是很不方便的，他们往往会把它送回原制造厂。如果使用可恢复保护器件，例如PPTC保护器件，就可以一劳永逸地保护电路，从而减少退回保修的产品数量。

图3　点燃器充电器的电路（略）

图3是常见的CLA的电路，在这个例子中，用一双PolySwitch系列保护器件和一只瞬变电压抑制（TVS）二极管在输入端提供保护作用。同时用一个由集成电路控制的降压DC/DC转换器进行电压转换及稳压。单独使用PPTC，或者与TVS二极管结合起来使用，就能够自动地防止由于以下四种现象所造成的损坏。

·第一是，负载电流过大。这是指，出现故障时移动电话需要的电流过大，PPTC进入高阻抗状态，直到故障排除。

·第二是，转换器出现故障。如果转换器或者起控制作用的集成电路出现故障，造成短路，这时PPTC保护器件进入高阻抗状态，从而保护汽车的连接线路及熔断丝。

·第三是，发动机启动时的瞬变电压。在发动机启动时，发电机会产生瞬变电压尖脉冲。在正常的情况下，TVS二极管会把它抑制下去。然而，如果瞬变电压的幅度很大，可能超过TVS二极管的额定值。安装一只PPTC保护器件就可以防止对TVS二极管造成的损坏。因为在电流还末增大到会造成损坏时，PPTC保护器件就已经进入高阻抗状态了。

·第四，汽车电池的极性接反。如果汽车电池的极性接反了，TVS二极管会正向导通，电流会通过PPTC保护器件，电流流过大时，PPTC保护器件便进入高阻抗状态，从而保护TVS二极管，并且能够限制加在TVS两端的正向电压。在选择PPTC器件时，必须考虑到最大负载电流，最高的环境温度，以及进入高阻抗状态所需要的时间，以防止损坏其它器件。


保护AC/DC电源转换器

线性AC/DC电源转换器广泛地用于电池充电设备上，也在各种消费类设备上作为直流电源。在用独立的AC/DC电源转换器时，终端设备的设计就简化了。

AC/DC电源转换器对于安全和可靠性有它自己的要求。这与对短路电流的限制以及变压器绕组过热所需要的温度保护有关。如果绕组的温度超过绝缘材料的允许温度范围，绝缘层就会被破坏击穿，造成变压器内部短路，甚至起火。绕组温度过高的可能原因包括：环境温度过高，外部短路或者输入电源出现波动时。

PPTC保护器件除了在电流过大时起保护作用，这类器件在温度过高时也具有保护作用。这是因为这类器件本身在受热时，在较低电流时它便进入高阻状态、这点人们往往不一定了解。

有时在变压器绕组中会采用安装热熔断丝的方式来进行保护，但是，它是一次性使用的组件，在瞬变故障，例如输出短路，或者输入电压出现波动时动作显得并不合适。另一种选择CPTC（陶瓷正温度系数）器件的缺点是它的低温阻抗比较大，于是在正常工作时增加了功耗。此外对于变压器绕组也可以考虑用更高等级的绝缘，这样就不必用其它的保护器件。但是，这样做提高了变压器的成本。

图4所示是PPTC保护器件的温度保护特性的一个实例。这里，PPTC器件被串联在变压器的次级绕组上。如果把线性电源转换器的输出端人为短路，绕组的自身电阻能够把输出电流限制在1A左右。次级绕组的温度开始上升，当它达到100℃时，由于过热和过流的共同作用，PPTC器件进入高阻抗状态。进一步限制了次级绕组的电流，防止绕组温度上升。

图4　PPTC保护器件限制变压器绕组的温升（略）

选择PPTC器件时，要考虑在最高环境温度（一般是45℃）下的最大负载电流，以及在变压器温度升高时，它的最短要求动作时间。

结论

PPTC器件能有效地保护范围广泛的电路。在全世界得到安全机构的认可。这种器件可靠且自恢复的保护性能能够大大降低保修费用，并且增加用户对无线设备的满意程度。通过加紧进行材料科学方面的研究，以及不断推出更具效率的新型设计，PPTC器件制造商正在努力满足人们对更小尺寸无线设备的要求。

(Tyco公司 供稿)