傳統(tǒng)的針對大電流鋰離子電池應(yīng)用（如無線電動工具、電動車和后備電源）的電路保護方案傾向于使用大型、復(fù)雜或昂貴的保護技術(shù)。例如，一般電路保護設(shè)計方案采用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)的雙金屬片保護器件，不過，該方案要求雙金屬片接觸點足夠大，以承受大電流，這導(dǎo)致保護器件體積過大；此外，這些傳統(tǒng)雙金屬保護器件的動作次數(shù)必須受到限制，因為觸點之間可能產(chǎn)生的電弧會損壞觸點。

　　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。這種組合既能提供可復(fù)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，使其保持在打開鎖定狀態(tài)。

　　混合技術(shù)——設(shè)計概念

　　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。市場對更輕、更小設(shè)備日益增長的需求意味著這些電池保護設(shè)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(yīng)運而生。這種器件可以用來替代許多復(fù)雜IC/FET電池保護設(shè)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(dāng)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(dǎo)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，使其保持在打開鎖定狀態(tài)。如圖1所示，MHP器件的動作步驟包括：

　　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，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(dāng)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。

　　3. 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(guān)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(dāng)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。

　　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(biāo)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，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

　　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(shè)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(shè)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

　　3. 它使MHP器件相對于額定參數(shù)相當(dāng)?shù)钠渌?span id="j3zhn3n" class=hrefStyle>斷路器而言可以更加緊湊

　　相比之下，因為標(biāo)準雙金屬觸點僅位于一個位置，所以它的耐壓能力不如MHP器件。

　　耐沖擊/振動能力

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

　　標(biāo)準的保護器件通常通過強力彈簧讓移動接觸臂與固定觸點保持接觸。但是，在較大的沖擊或振動條件下，彈簧（即使是強力彈簧）產(chǎn)生的壓力也達不到保持觸點接觸所需的壓力。

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

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

　　跌落測試結(jié)果：

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

　　· 1500g x 1000次循環(huán)/1A負載→無電流切斷

　　· 3000g x 3次循環(huán)/1A負載→無電流切斷

　　圖4a：1A負載條件下的1500g跌落測試結(jié)果。圖4b：1A負載條件下的3000g跌落測試結(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條件下的跳閘時間為25秒±5秒。該跳閘時間長短剛好，既可防止電池組因過度放電而出現(xiàn)過熱，又