針對(duì)大電流鋰離子電池應(yīng)用的PPTC/雙金屬混合器件技術(shù)

　　傳統(tǒng)的針對(duì)大電流鋰離子電池應(yīng)用（如無線電動(dòng)工具、電動(dòng)車和后備電源）的電路保護(hù)方案傾向于使用大型、復(fù)雜或昂貴的保護(hù)技術(shù)。例如，一般電路保護(hù)設(shè)計(jì)方案采用IC和MOSFET結(jié)合使用的方案或者其他類似的復(fù)雜方案。某些設(shè)計(jì)可能考慮在要求30A以上工作電流的直流電源應(yīng)用中采用傳統(tǒng)的雙金屬片保護(hù)器件，不過，該方案要求雙金屬片接觸點(diǎn)足夠大，以承受大電流，這導(dǎo)致保護(hù)器件體積過大；此外，這些傳統(tǒng)雙金屬保護(hù)器件的動(dòng)作次數(shù)必須受到限制，因?yàn)橛|點(diǎn)之間可能產(chǎn)生的電弧會(huì)損壞觸點(diǎn)。

　　本文介紹了一種新的混合式技術(shù)，它可提供一種緊湊、穩(wěn)健的電路保護(hù)器件，它能在額定電壓超過30VDC的情況下提供30A以上的工作電流。這種金屬混合PPTC器件（MHP）由一個(gè)雙金屬片保護(hù)器和一個(gè)聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件并聯(lián)而成。這種組合既能提供可復(fù)位的過電流保護(hù)功能，又可利用PPTC器件的低電阻特性來防止雙金屬片在大電流條件下產(chǎn)生電弧，同時(shí)還能加熱雙金屬片，使其保持在打開鎖定狀態(tài)。

　　混合技術(shù)——設(shè)計(jì)概念

　　大電流放電鋰離子電池組應(yīng)用要求穩(wěn)健、可靠的電路保護(hù)。市場(chǎng)對(duì)更輕、更小設(shè)備日益增長(zhǎng)的需求意味著這些電池保護(hù)設(shè)計(jì)必須提供更高的可靠性，同時(shí)占用更少的空間。在這種市場(chǎng)趨勢(shì)下，新的MHP混合器件應(yīng)運(yùn)而生。這種器件可以用來替代許多復(fù)雜IC/FET電池保護(hù)設(shè)計(jì)中使用的放電FET和相配套的散熱器，或減少它們的數(shù)量，同時(shí)增強(qiáng)保護(hù)功能。

　　在MHP器件正常工作時(shí)，由于雙金屬片的電阻低，電流通過雙金屬片流過。當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，比如電動(dòng)工具轉(zhuǎn)子閉鎖時(shí)，電路中將產(chǎn)生很大的電流，導(dǎo)致雙金屬觸點(diǎn)打開，其接觸電阻增加。此時(shí)電流將流經(jīng)電阻更低的PPTC器件。流過PPTC的電流不僅抑制了觸點(diǎn)之間電弧的產(chǎn)生，同時(shí)又能加熱雙金屬片，使其保持在打開鎖定狀態(tài)。如圖1所示，MHP器件的動(dòng)作步驟包括：

　　1. 在正常工作過程中，由于接觸電阻非常低，所以大部分電流將通過雙金屬片。

　　2. 觸點(diǎn)開始打開，接觸電阻迅速上升。當(dāng)接觸電阻高于PPTC器件電阻時(shí)，大部分電流將分流至PPTC器件，流經(jīng)觸點(diǎn)的電流會(huì)很少或完全沒有，從而防止觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧。當(dāng)電流分流至PPTC器件時(shí)，其電阻迅速上升，并達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于接觸電阻的水平，使PPTC溫度上升。

　　3. 觸點(diǎn)打開后，PPTC器件開始對(duì)雙金屬片進(jìn)行加熱，使其保持在打開狀態(tài)，直到過電流條件消失或電源關(guān)閉為止。

　　圖1：MHP器件的動(dòng)作步驟

　　PPTC器件的電阻要遠(yuǎn)低于陶瓷PTC器件電阻，也就是說即使觸點(diǎn)只打開一小部分，接觸電阻也只是略有上升，電流會(huì)被分流到PPTC器件，從而有效防止觸點(diǎn)間產(chǎn)生電弧。通常在室溫下陶瓷PTC器件和聚合物PTC器件的電阻相差約10的兩次方（x10^2），所以，當(dāng)電阻較高的陶瓷PTC器件與雙金屬并聯(lián)使用時(shí)，在抑制大電流電弧放電方面遠(yuǎn)不如MHP器件來得有效。

　　結(jié)合使用雙金屬和PPTC

　　圖2a和2b顯示了只使用一個(gè)雙金屬保護(hù)器時(shí)的電流和電壓情況。圖2a顯示了雙金屬保護(hù)器在24VDC/20A額定條件下的典型打開情況。它在1.28毫秒后打開。圖2b顯示了雙金屬保護(hù)器在兩倍額定電壓條件下的表現(xiàn)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙金屬保護(hù)器在故障條件下產(chǎn)生電弧，從觸點(diǎn)開始打開到觸點(diǎn)粘連（短路）的時(shí)間是334毫秒。

　　圖2a：在兩倍額定電壓條件下的雙金屬保護(hù)器特性。圖2b：在額定電壓條件下的雙金屬保護(hù)器特性。

　　圖3顯示了并聯(lián)使用PPTC器件和雙金屬保護(hù)器的結(jié)果——電流被明顯切斷。從雙金屬保護(hù)器開始動(dòng)作到PPTC器件被完全激活的時(shí)間是6.48毫秒，見圖3的左圖。圖3的右圖表明，當(dāng)施加的電壓兩倍于額定電壓時(shí)，從保護(hù)器開始動(dòng)作到電流被切斷的時(shí)間是4.8微秒。

　　結(jié)合圖3中的兩幅圖像，我們可以看到電流從雙金屬保護(hù)器向PPTC器件的平穩(wěn)過渡，保護(hù)器觸點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生粘連，我們還可看到PPTC器件如何幫助防止觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧。

　　圖3：在兩倍于額定電壓的條件下并聯(lián)使用PPTC器件和雙金屬保護(hù)器

　　觸點(diǎn)尺寸和電阻值

　　典型的雙金屬保護(hù)器上只有一個(gè)觸點(diǎn)，所以其耐壓能力并不強(qiáng)。在單觸點(diǎn)設(shè)計(jì)中，較大的電流所需的觸點(diǎn)尺寸會(huì)很大。為了解決這個(gè)問題，MHP器件采用“雙閉合/雙斷開”觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，從而大大縮小了裝置尺寸。該技術(shù)相對(duì)于常用雙金屬保護(hù)器而言具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

　　1. 由于電流路徑極短，所以器件的電阻非常低

　　2. 只有接觸點(diǎn)才會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，從而可以使用熱控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的熱激活

　　3. 它使MHP器件相對(duì)于額定參數(shù)相當(dāng)?shù)钠渌?span id="nfeltdt" class=hrefStyle>斷路器而言可以更加緊湊

　　相比之下，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)雙金屬觸點(diǎn)僅位于一個(gè)位置，所以它的耐壓能力不如MHP器件。

　　耐沖擊/振動(dòng)能力

　　MHP器件可以提供更長(zhǎng)的使用壽命，能承受較大的振動(dòng)和沖擊，可應(yīng)用于大電流應(yīng)用的苛刻工作環(huán)境。典型的電動(dòng)工具電池組都是在較大的振動(dòng)和沖擊條件下工作。為了滿足這些要求，MHP器件的觸點(diǎn)之間需要足夠的接觸壓力。

　　標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)器件通常通過強(qiáng)力彈簧讓移動(dòng)接觸臂與固定觸點(diǎn)保持接觸。但是，在較大的沖擊或振動(dòng)條件下，彈簧（即使是強(qiáng)力彈簧）產(chǎn)生的壓力也達(dá)不到保持觸點(diǎn)接觸所需的壓力。

　　為了解決這一挑戰(zhàn)，MHP器件將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在雙金屬盤上，因?yàn)闆]有熱觸點(diǎn)的雙金屬盤有足夠的強(qiáng)度保持穩(wěn)定。此外，我們還給移動(dòng)接觸臂增加了一個(gè)倒鉤，以增加雙金屬盤提供的接觸壓力。移動(dòng)接觸臂通過裝置另一側(cè)的插銷固定。在靠近觸點(diǎn)的地方增加一個(gè)倒鉤可以減少移動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在兩個(gè)觸點(diǎn)上產(chǎn)生更大的向下壓力。MHP器件經(jīng)過了1500g跌落測(cè)試方法下的1000次沖擊，未出現(xiàn)故障，還通過了三次3000g的沖擊測(cè)試。

　　圖4a給出了器件在1A負(fù)載條件下經(jīng)過1500g沖擊/1000次循環(huán)測(cè)試的結(jié)果。結(jié)果表明，在1500g沖擊下沒有發(fā)生電流切斷。圖4b給出了器件在1A負(fù)載條件下經(jīng)過3000g沖擊/3次循環(huán)測(cè)試的結(jié)果。沖擊或振動(dòng)方向也與圖4a相同。結(jié)果表明，在3000g沖擊下也沒有發(fā)生電流切斷。

　　跌落測(cè)試結(jié)果：

　　middot; 1500g x 1000次循環(huán)/無負(fù)載→無電阻變化

　　· 1500g x 1000次循環(huán)/1A負(fù)載→無電流切斷

　　· 3000g x 3次循環(huán)/1A負(fù)載→無電流切斷

　　圖4a：1A負(fù)載條件下的1500g跌落測(cè)試結(jié)果。圖4b：1A負(fù)載條件下的3000g跌落測(cè)試結(jié)果。

　　MHP器件規(guī)格

　　MHP30-36器件是規(guī)劃的MHP產(chǎn)品系列中的首批器件，最大額定值為36VDC/100A，在100A （@25℃）條件下的跳閘時(shí)間小于5秒。這些器件的工作電流為30A，初始電阻不到2mΩ，低于常見雙金屬保護(hù)器的初始電阻（通常為3至4mΩ）。

　　MHP30-36器件在50A條件下的跳閘時(shí)間為25秒±5秒。該跳閘時(shí)間長(zhǎng)短剛好，既可防止電池組因過度放電而出現(xiàn)過熱，又