浅谈保护元件及双保护复合元件最佳解决方案

电子产品已与人类生活密不可分,举凡工作、通讯、娱乐及日常生活用品中,无一不见电子产品的踪迹,由于其贴近生活之程度与状况,高标准的可靠度与稳定度是电子产品的首要诉求。

  电子产品已与人类生活密不可分,举凡工作、通讯、娱乐及日常生活用品中,无一不见电子产品的踪迹,由于其贴近生活之程度与状况,高标准的可靠度与稳定度是电子产品的首要诉求。以电子产品所搭配的锂离子电池为例,近几年所发生的锂电池电池爆炸事件说明了在电池的应用与设计中,过温保护与过电流保护是不可省略的重要环节,亦是维持电池安全运作的重要保护机制。瑷司柏电子基于多年保护/被动元件的开发经验,以电池应用为例,简单说明保护/被动元件于此领域之应用,并藉由整合性元件的开发,提供过温与过电流双保护的最佳解决方案。

  图一 (a) S公司设计之过电流及过温双保护复合元件之等效电路图,(b)瑷司柏电子设计之过电流及过温双保护复合元件之等效电路图

  过电流保护元件的应用

  电池充电的过程,常伴随著极短时间的瞬时突波电流与较长时间的异常大电流的产生,为避免这些电流异常所造成的危险与伤害,保险丝的设计与选用是电池安全的第一道防线。于电路中串连保险丝元件是过电流保护最基本的设计,过电流保护的保险丝可简单分为一次熔断式保险丝(single fuse)与可复式保险丝(multi-fuse)。

  一次熔断式保险丝的线路主体多为两种以上之金属,当过电流通过保险丝时所产生的热,可加速金属材料的相互扩散,进而形成合金而熔断,此断路可阻止电流通过以达到过电流保护的作用,对于较长时间的异常大电流与极短时间的瞬时突波,一次式保险丝皆能提供即时的保护。

  可复式保险丝的主流是利用特殊的高分子混合导电的颗粒而形成导电高分子,又称为PPTC(Polymer Positive Temperature Coefficient)保险丝,电流突波的产生造成PPTC温度上升而导致结构改变与体积膨胀并进而造成阻抗的升高,急遽增加的阻抗可限制电流的大小,进而达成过电流保护的目的,当过电流解除回复常温时,PPTC可回复其原始的电性状态为其元件特点,但面对瞬时突波的问题,PPTC有其特性上的不足。

  微欧姆电阻(low-ohmic resistor)于电流感测(current sensing)之应用亦可视为电流保护的一种,微欧姆电阻常串连于线路中,当电流通过微欧姆电阻时将造成一电压降,侦测IC可藉由侦测此电压降的数值,透过简单的欧姆定律换算(V=I.R),进行电流稳定度的监测,由于不希望微欧姆电阻本身阻抗随温度变化所产生的误差,低温度系数(Temperature Coefficient of Resistance)是微欧姆电阻选用的一重要参数。

  另外,高功率与尺寸微小化亦是微欧姆电阻发展的主要方向,高功率产品多以金属片材为基础进行制造,快速将热由元件中心朝外传导可提升使用功率规格,而欲突破元件微型化的瓶颈,薄膜技术与黄光技术可提供更均匀的镀膜制程与更精细的线路尺寸,是跨越元件微型化障碍的最佳制程解决方案。

  过温保护元件的应用

  电池充放电(charge-discharge)的过程,伴随著放热反应所导致的电池温度升高,尤其在锂离子电池过充电(overcharge)情形下,其电池内部的液态电解质(liquid electrolyte)便可能因温度过高而产生气化,电解液气化的体积膨胀与压力升高将造成电池结构的破坏与漏液,甚者出现短路爆炸的危险。

  为避免超温所造成的风险,多以负温度系数热敏电阻(Negative Temperature Coefficient Thermistor)进行电池温度的侦测以达过温保护的目的。NTC热敏电阻具高温度系数特性,其电阻值会随著温度上升而显著下降,可作为温度补偿、温度侦测的温度感测元件,亦具备突波能量吸收的功能,温度感测乃是利用其显著的阻值变化特性来侦测微小的温度变化,以作为温度监控或是过温保护机制作动的依据。亦有业者提出以正温度系数电阻作为过温保护元件,藉其电阻随温度增高而上升之特性形成断路而达到过温保护,然其作动时间较长的缺点则限制了其应用。

  双保护复合元件之开发

  目前,针对锂离子电池领域的应用,已有具备过电流保护及过温保护功能的双保护复合元件产品问世,其等效电路图如图一(a)所示,此元件将保险丝与电阻整合于一陶瓷基板上,可缩小电路设计的空间,验证了整合型保护/被动元件的发展趋势。当过电流突波发生时,元件内的保险丝可即时熔断而将电路断路,发挥过电流保护的功能。

  当过温发生时,电路内的NTC热敏电阻与其搭配的控制IC可侦测出过温异常并施加一电流于保险丝元件内之电阻,此电阻在通电流后成为一加热体(heater),用来提高保险丝元件的温度而加速保险丝熔断,达到过温保护的目的。此设计虽将元件开发带入一个新的时代,可缩小部分电路设计空间,但依旧无法解决电路中包含主动元件所带来的成本增加与主动元件失效风险,为此,瑷司柏电子开发出不同的解决方案,利用薄膜技术将正温度系数热敏电阻与保险丝并联整合于一陶瓷基板上,其等效电路图如图一(b)所示,当过电流发生时,保险丝优先熔断使电流涌向PTC热敏电阻而升温,最终致使其阻值升高而全面断路,达到过电流保护;当过温现象发生时,PTC热敏电阻因受热而阻值升高,将使电流集中至保险丝将其熔断后,电流再度回到PTC热敏电阻而达到全面断路之效果,达到过温保护。如此一来,可藉由单一被动元件之设计,大幅缩小线路设计之空间与成本,提升市场竞争力与产品接受度。

  在各式电子产品其稳定度与可靠度的高标准要求下,保护元件的使用与开发实是一重要环节,瑷司柏电子研发团队曾开发多款电流感测微电阻、过电流保护元件与过电压保护元件,藉由这些丰富的开发经验与制程技术,致力于各单一元件与整合型保护/被动元件研发,以面临未来元件微型化与整合性挑战。


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