針對大電流鋰離子電池應用的PPTC/雙金屬混合器件技術(shù)

　　傳統的針對大電流鋰離子電池應用（如無(wú)線(xiàn)電動(dòng)工具、電動(dòng)車(chē)和后備電源）的電路保護方案傾向于使用大型、復雜或昂貴的保護技術(shù)。例如，一般電路保護設計方案采用IC和MOSFET結合使用的方案或者其他類(lèi)似的復雜方案。某些設計可能考慮在要求30A以上工作電流的直流電源應用中采用傳統的雙金屬片保護器件，不過(guò)，該方案要求雙金屬片接觸點(diǎn)足夠大，以承受大電流，這導致保護器件體積過(guò)大；此外，這些傳統雙金屬保護器件的動(dòng)作次數必須受到限制，因為觸點(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、穩健的電路保護器件，它能在額定電壓超過(guò)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)雙金屬片保護器和一個(gè)聚合物正溫度系數（PPTC）器件并聯(lián)而成。這種組合既能提供可復位的過(guò)電流保護功能，又可利用PPTC器件的低電阻特性來(lái)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(kāi)鎖定狀態(tài)。

　　混合技術(shù)——設計概念

　　大電流放電鋰離子電池組應用要求穩健、可靠的電路保護。市場(chǎng)對更輕、更小設備日益增長(cháng)的需求意味著(zhù)這些電池保護設計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)趨勢下，新的MHP混合器件應運而生。這種器件可以用來(lái)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，或減少它們的數量，同時(shí)增強保護功能。

　　在MHP器件正常工作時(shí)，由于雙金屬片的電阻低，電流通過(guò)雙金屬片流過(guò)。當異常情況發(fā)生時(shí)，比如電動(dòng)工具轉子閉鎖時(shí)，電路中將產(chǎn)生很大的電流，導致雙金屬觸點(diǎn)打開(kāi)，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(guò)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(kāi)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(guò)程中，由于接觸電阻非常低，所以大部分電流將通過(guò)雙金屬片。

　　2. 觸點(diǎn)開(kāi)始打開(kāi)，接觸電阻迅速上升。當接觸電阻高于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(méi)有，從而防止觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧。當電流分流至PPTC器件時(shí)，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。

　　3. 觸點(diǎn)打開(kāi)后，PPTC器件開(kāi)始對雙金屬片進(jìn)行加熱，使其保持在打開(kāi)狀態(tài)，直到過(guò)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器件的電阻要遠低于陶瓷PTC器件電阻，也就是說(shuō)即使觸點(diǎn)只打開(kāi)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不如MHP器件來(lái)得有效。

　　結合使用雙金屬和PPTC

　　圖2a和2b顯示了只使用一個(gè)雙金屬保護器時(shí)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(kāi)情況。它在1.28毫秒后打開(kāi)。圖2b顯示了雙金屬保護器在兩倍額定電壓條件下的表現。一個(gè)標準的雙金屬保護器在故障條件下產(chǎn)生電弧，從觸點(diǎn)開(kāi)始打開(kāi)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果——電流被明顯切斷。從雙金屬保護器開(kāi)始動(dòng)作到PPTC器件被完全激活的時(shí)間是6.48毫秒，見(jiàn)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(shí)，從保護器開(kāi)始動(dòng)作到電流被切斷的時(shí)間是4.8微秒。

　　結合圖3中的兩幅圖像，我們可以看到電流從雙金屬保護器向PPTC器件的平穩過(guò)渡，保護器觸點(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器件和雙金屬保護器

　　觸點(diǎn)尺寸和電阻值

　　典型的雙金屬保護器上只有一個(gè)觸點(diǎn)，所以其耐壓能力并不強。在單觸點(diǎn)設計中，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(wèn)題，MHP器件采用“雙閉合/雙斷開(kāi)”觸點(diǎn)設計，從而大大縮小了裝置尺寸。該技術(shù)相對于常用雙金屬保護器而言具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

　　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)現準確的熱激活

　　3. 它使MHP器件相對于額定參數相當的其他斷路器而言可以更加緊湊

　　相比之下，因為標準雙金屬觸點(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(cháng)的使用壽命，能承受較大的振動(dòng)和沖擊，可應用于大電流應用的苛刻工作環(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(mǎn)足這些要求，MHP器件的觸點(diǎn)之間需要足夠的接觸壓力。

　　標準的保護器件通常通過(guò)強力彈簧讓移動(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（即使是強力彈簧）產(chǎn)生的壓力也達不到保持觸點(diǎn)接觸所需的壓力。

　　為了解決這一挑戰，MHP器件將設計重點(diǎn)放在雙金屬盤(pán)上，因為沒(méi)有熱觸點(diǎn)的雙金屬盤(pán)有足夠的強度保持穩定。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(pán)提供的接觸壓力。移動(dòng)接觸臂通過(guò)裝置另一側的插銷(xiāo)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(guò)了1500g跌落測試方法下的1000次沖擊，未出現故障，還通過(guò)了三次3000g的沖擊測試。

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

　　跌落測試結果：

　　middot; 1500g x 1000次循環(huán)/無(wú)負載→無(wú)電阻變化

　　· 1500g x 1000次循環(huán)/1A負載→無(wú)電流切斷

　　· 3000g x 3次循環(huán)/1A負載→無(wú)電流切斷

　　圖4a：1A負載條件下的1500g跌落測試結果。圖4b：1A負載條件下的3000g跌落測試結果。

　　MHP器件規格

　　MHP30-36器件是規劃的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(jiàn)雙金屬保護器的初始電阻（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(cháng)短剛好，既可防止電池組因過(guò)度放電而出現過(guò)熱，又