引言

　　傳統(tǒng)的針對大電流鋰離子電池應用在如無線電動工具、電動車和后備電源等，其電路保護方案傾向于使用大型、復雜或昂貴的保護技術。而如今一種新的混合式技術可提供一種緊湊、穩(wěn)健的電路保護器件，使得在額定電壓超過30VDC的情況下也能正常工作。這種金屬混合PPTC器件（MHP）由一個雙金屬片保護器和一個聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件并聯(lián)而成。因此，既能提供可復位的過電流保護功能，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，同時還能加熱雙金屬片，使其保持在打*定狀態(tài)。

　　1 混合技術——設計概念

　　大電流放電鋰離子電池組應用要求穩(wěn)健、可靠的電路保護。市場對更輕、更小設備日益增長的需求意味著這些電池保護設計必須提供更高的可靠性，同時占用更少的空間。在這種市場趨勢下，新的MHP混合器件應運而生。這種器件可以用來替代許多復雜IC/FET電池保護設計中使用的放電FET和相配套的散熱器，或減少它們的數(shù)量，同時增強保護功能。

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

　　a 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。

　　b 觸點開始打開，接觸電阻迅速上升。當接觸電阻高于PPTC器件電阻時，大部分電流將分流至PPTC器件，流經(jīng)觸點的電流會很少或完全沒有，從而防止觸點之間產(chǎn)生電弧。當電流分流至PPTC器件時，其電阻迅速上升，并達到遠遠高于接觸電阻的水平，使PPTC溫度上升。

　　c 觸點打開后，PPTC器件開始對雙金屬片進行加熱，使其保持在打開狀態(tài)，直到過電流條件消失或電源關閉為止。

圖1：MHP器件的動作步驟。

　　PPTC器件的電阻要遠低于陶瓷PTC器件電阻，也就是說即使觸點只打開一小部分，接觸電阻也只是略有上升，電流會被分流到PPTC器件，從而有效防止觸點間產(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，當電阻較高的陶瓷PTC器件與雙金屬并聯(lián)使用時，在抑制大電流電弧放電方面遠不如MHP器件來得有效。

　　2 結(jié)合使用雙金屬和PPTC

　　圖2a和2b顯示了只使用一個雙金屬保護器時的電流和電壓情況。圖2a顯示了雙金屬保護器在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顯示了雙金屬保護器在兩倍額定電壓條件下的表現(xiàn)。一個標準的雙金屬保護器在故障條件下產(chǎn)生電弧，從觸點開始打開到觸點粘連（短路）的時間是334毫秒。

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

　　圖3顯示了并聯(lián)使用PPTC器件和雙金屬保護器的結(jié)果——電流被明顯切斷。從雙金屬保護器開始動作到PPTC器件被完全激活的時間是*8毫秒，見圖3的左圖。圖3的右圖表明，當施加的電壓兩倍于額定電壓時，從保護器開始動作到電流被切斷的時間是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器向PPTC器件的平穩(wěn)過渡，保護器觸點不會產(chǎn)生粘連，我們還可看到PPTC器件如何幫助防止觸點產(chǎn)生電弧。

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

　　3 觸點尺寸和電阻值

　　典型的雙金屬保護器上只有一個觸點，所以其耐壓能力并不強。在單觸點設計中，較大的電流所需的觸點尺寸會很大。為了解決這個問題，MHP器件采用“雙閉合/雙斷開”觸點設計，從而大大縮小了裝置尺寸。該技術相對于常用雙金屬保護器而言具有以下幾點優(yōu)勢：

　　a 由于電流路徑極短，所以器件的電阻非常低

　　b 只有接觸點才會產(chǎn)生熱點，從而可以使用熱控制方法實現(xiàn)準確的熱激活

　　c 它使MHP器件相對于額定參數(shù)相當?shù)钠渌麛嗦菲鞫钥梢愿泳o