PPTC器件：功率电子的电路保护新选择
随着材料科学的发展和PPTC器件研究的进步，已经可以在120 VAC和240 VAC的线电压下应用PPTC器件，从而为变压器和电源的保护提供了新的选择。
在线性变压器或电源发展故障时，某些元器件会产生过热现象。在开关型充电器发生故障的情况下，一些可能随之发生故障的元器件包括磁性元件或开关场效应管。在线性充电器中，没有场效应管或电子线路进行功率转换，变压器的线圈是最有可能出问题的器件。
在防止电源出现这些故障现象及其随之而来的过热损坏时，有若干项电路保护方案可供选择，其中包括温度保险丝、电流保险丝和电路断路器。常用的解决方案是在初级端使用一个温度保险丝，并在次级端使用一个电流保险丝。这一方式能够同时防止出现过热和过电流状况。但是，这一方法的缺点在于：
第一，需要2个器件，从而增加了成本；
第二，由于保险丝为一次性使用的器件，保险丝断路后将可能导致充电器永远无法工作。
在变压器和电源应用中，有时会使用断路器作为自复式保护器件，但是这会大幅增加成本。目前，一项可以适用的解决方案是使用一个自复式陶瓷正温度系数（CPTC）器件。但是，由于此项技术较高的保护温度、高阻值、大体积以及较差的防冲击能力，尚未广泛应用到初级端的电路保护中。
对于这一问题的最为适宜的解决方案是使用聚合物正温度系数（PPTC）器件，且其工作电压额定值为240 VAC。这一PPTC器件以简便的封装形式同时提供了过电流和过热保护，并使设计人员可以选择在变压器的初级端布置自复式保护，从而可用单个器件取代以前常用方案中的2个元件。另外，由于PPTC器件通常在发生故障后不需加以更换，这样有助于制造商降低保修、维护和修理方面的成本。
对于发生故障后只造成线圈温度上升而不会真正引起电流值较大增加的应用，电路保护器件种类中的过热保护器件是十分合适的选择。小功率的电源变压器就是这种应用中的一个范例，在这种电源变压器中，即使在次级端回路中发生了短路，线圈阻抗也会将电流限制在较低的强度。
性能比较：温度保险丝与PPTC器件
泰科电子公司最近进行了一项以公司推出的PolySwitch LVR系列PPTC器件作为多种变压器初级端保护元件的对比试验，并将PPTC器件的性能特征与温度保险丝和CPTC器件的性能进行了比较。
许多的线性电源在设计中采用了一次性的温度保险丝作为初级端的保护解决方案。图1所示为在这类变压器上发生的过热现象的效果。在这项试验中，由于次级端短路事件的发生，导致线圈温度超过200℃。温度保险丝的温度额定值为115℃，其安装位置靠近铁芯的中央，未能实现开路动作，线圈的绝缘层出现了熔化现象，因而烧毁了变压器。
图1. 采用温度保险丝作为初级端保护元件的240 VAC变压器的次级端发生短路的结果。
图2所示为在类似的变压器中，针对作为初级端保护元件的PPTC器件进行测试的结果。在初级端加上了253VAC的电压，并模拟了次级端短路。对初级线圈、次级线圈以及PPTC器件的表面温度进行了测量。PPTC器件在其外部温度达到大约95℃时开始分断电路，此时，初级线圈的温度大约为95℃。在 PPTC器件动作后，电流得到了限制，线圈的温度开始下降。
图2. 采用一个PPTC器件作为初级回路保护元件的240 VAC变压器的次级端短路试验结果
图3所示为PPTC器件与温度保险丝的性能特性曲线的比较，其中温度保险丝采用与PPTC类似的研究条件，在次级端短路的240VAC变压器进行试验。这些数据证明了PPTC器件具有更快的动作时间，并且具备了限制线圈最高温度的性能。因此，PPTC器件有助于改善对变压器绕组和次级端回路的保护。
图3. 在120 VAC变压器次级端出现短路的前提下，对采用温度保险丝和PPTC器件作为初级端保护元件的特性结果进行比较。
性能比较：CPTC与PPTC器件
虽然CPTC器件能够提供用于变压器初级端的电压额定值，其体积和工作温度特性限制了它的应用。为了获得对过热故障的最佳防护，电路保护器件必须靠近变压器线圈进行安置。根据所应用的这一电压值，CPTC器件处于高阻值状态时，在通常情况下会达到180℃至220℃的表面温度。如果线圈绝缘层的额定温度值低于这一CPTC的表面温度值，这时CPTC就不适于作为过热保护器件。CPTC器件还存在着易碎的问题，容易受到冲击、振动或其它与应用场合相关的与温度变化有关的热应力的损害。
PPTC器件与CPTC器件相比，能够将线圈的最高温度限制在一个较低的范围以内，并且在跳闸状态下， PPTC器件的表面较低（100℃至120℃）。PPTC器件具有较低的电路阻值，其阻抗大小与频率之间的依赖性较弱，而且体积小巧，这些特性均保证了 PPTC器件成为线性变压器初级端保护的一项实用的解决方案。
在试验中，将PPTC器件和CPTC器件均作为初级端的保护元件来进行比较，PPTC装置的动作反应较快，保护温度较低，如图4所示。在此项试验中采用了两个完全一样的变压器，所选用的CPTC器件具有80℃的居里温度值和 80mA的保持电流。PPTC器件的保持电流也为80mA。试验程序是先在次级端设定一个短路故障，再对电流、线圈温度、动作时间进行测量。
图4. 在120 VAC变压器发生次级端短路时，CPTC器件与PPTC器件的动作时间的对比
在这种应用中，CPTC器件的一项缺点是其表面温度较高。图5的热成像图形说明了这两种器件之间的表面温度差异。在这项220 VAC短路状态的比较中，CPTC器件的表面温度达到了184.5℃，而PPTC器件则为118.9℃。
图5. 处于动作状态下的PPTC和CPTC器件的热成像表面温度比较
结论
PPTC器件的保护性能得到了充分验证，它有助于向低电压设计电路（一般低于72V）提供保护功能。这项性能使得PPTC器件成为对移动电子设备、计算机和通讯设备提供过电流和过热保护的较为适用的技术。最新一代的PPTC器件能够在120 VAC和240 VAC的线电压下进行工作，而且可用作次级端或初级端的保护元件。
另外，PPTC器件的电阻受温度的影响，所以能够提供非常有效的过热保护。由于PPTC器件具有自复功能、较小的体积、低阻值和快速保护等特性，从而成为温度保险丝和CPTC器件实用和经济的替代产品。
