用于家用電器的綜合電路保護

摘要：描述了用于家用電器的綜合電路保護技術(shù)。

關(guān)鍵詞：家用電器；綜合電路保護；PPTC；MOV、

綜合型電路保護技術(shù)能夠幫助復雜電器的設(shè)計人員達到安全標準的要求，減少元件數(shù)量，提高設(shè)備的可靠性。

家用電器和專業(yè)人員使用的電氣設(shè)備中的電機、變壓器和控制器，往往會遇到機械過載、過熱、堵轉(zhuǎn)、中線開路、電壓嚴重過高、潮氣以及其他會損壞設(shè)備的因素。新的聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)器件是針對電網(wǎng)電壓為交流120V和交流240V的情況設(shè)計的，它幫助電器設(shè)計人員防止出現(xiàn)安全問題，防止出現(xiàn)火災，并且降低由于電機不能工作造成產(chǎn)品保修期內(nèi)回收和更換的成本。

控制電路板變得日益精密和復雜，保護這類電路板，防止因為連接出錯、電壓突然升高或者短路而造成損壞，是設(shè)備制造商極為關(guān)心的問題。電器中的變壓器、變壓器的機殼和連接部份能夠承受較高的瞬變電壓，但是，由于電路板上有容易損壞的固體器件，必須改善對電流過大、溫度過高以及電壓過高等問題的控制。

綜合型過流保護和過壓保護也能夠幫助設(shè)計人員做到符合安全標準的要求，減少元件數(shù)量，并且提高設(shè)備的可靠性。在綜合型電路保護技術(shù)中使用的金屬氧化物變阻器(MOV)過壓保護器件，與額定電壓為電網(wǎng)電壓的PPTC過流保護器件配合使用，能夠幫助制造商做到符合IEC 61000-4-5標準(用于接到交流電網(wǎng)上的設(shè)備的全球性電壓和電流測試標準)。

各種過流電路保護技術(shù)的比較

保護電子電路防止電流過大或者溫度過高而造成損壞，這是許多電路保護技術(shù)的主要功能。在過去，是用熔斷器和可熔性連接線來實現(xiàn)這類保護，然而，在現(xiàn)在的電機應用系統(tǒng)中，最好是用PPTC器件、陶瓷PTC(CPTC)器件和雙金屬斷路器這類可復器件來實現(xiàn)電路保護。

CPTC器件可以用來實現(xiàn)可復式保護，不過，由于它們的工作溫度相對較高，電阻較大，尺寸較大，它們的應用會受到限制。CPTC器件的材料較脆，由于許多電器在使用時時常會遇到?jīng)_擊、振動、由于忽冷忽熱而產(chǎn)生的熱應力，因而容易損壞。

雙金屬片斷路器廣泛地用于保護電機，但是它不能保持住斷路狀態(tài)，電流過大時，它的觸點一直在交替地接通和斷開，需要其他的動作來干預。雙：金屬片是把兩種不同的金屬貼在一起。當雙：金屬片上的電流超過它的額定值時，過大的電流產(chǎn)生的熱量會使雙金屬片彎曲，因而一組觸點變成開路，于是電流不能流過。一旦電流停止流過，溫度下降，雙金屬片便回到它的正常狀態(tài)，于是觸點閉合，電流便會在它上面流過。在電動機停止轉(zhuǎn)動時，雙金屬片斷路器就會交替地接通和斷開，直到把電源切斷。

雙金屬片斷路器的觸點交替地接通和斷開，這種情況有幾個缺點，其中包括材料的疲勞，觸點容易產(chǎn)生火花、熔化。如果它失效時觸點是閉合的，電機和有關(guān)的電子電路會因為電流過大而燒壞。由于噪音或者顫動以及電磁干擾(EMI).雙金屬片斷路器不能用于高級的電子控制系統(tǒng)。

在泰科電子最近進行的測試中，對廣泛使用的雙金屬片熱保護器和泰科電子瑞侃PPTC電路保護器件PolySwitch LVR作了比較。一臺制冰機的電動機上安裝一種器件。這些保護器件是接在電機的繞組上，在進行測試時，把電機的軸固定住，不讓它轉(zhuǎn)動，記錄繞組的電壓、電流、溫度，PPTC器件和雙金屬片保護器的溫度。

圖1和圖2分別是用雙金屬片斷器和PPTC保護器進行測試的結(jié)果。在用雙金屬片斷路器進行測試時，電機繞組的溫度在試驗進行到60分鐘時升高到129℃，比使用PPTC保護器件進行的試驗高很多。使用PPTC保護器件，在試驗進行60分鐘時，電動機繞組的溫度是44℃。

用于電機的保護技術(shù)

在電流過大、溫度過高時，使用PPTC器件的綜合型保護，對間歇工作和連續(xù)工作的電機都是有利的。PPTC保護器件的電阻小，與熔斷器的尺寸相當。在出現(xiàn)故障時，PPTC保護器件和傳統(tǒng)的熔斷器一樣，能夠限制危險的大電流。不過，在故障排除之后，電路切斷及重新接上電源時，PPTC器件恢復原來的狀態(tài)。所以在把故障排除后，受保護的設(shè)備又能正常運作，不需要更換熔斷器。

圖3說明PPTC保護器件是如何安裝在電機電路中，防止因為電流過大或者溫度過高而損壞電機。保護器件是裝在電機的機殼里面，它對電機中流過的電流作出反應，在出現(xiàn)故障時，如果溫度上升，它也會作出反應。

PPTC器件與一次性使用的熔斷器不同，在出現(xiàn)故障，由于電流略微上升引起溫度上升的情況下，就能夠保護電路一只要安裝一個元件就能夠在電流過大和溫度過高時起保護作用。

用于交流電源的綜合保護

各種小型臺式電器，以至專業(yè)人員使用的烤箱，它們變得越來越復雜，功能越來越多，促使產(chǎn)業(yè)界把電路集成起來，縮小電路板的尺寸。保護那些容易損壞的電子元件，防止瞬變電壓、短路、用戶誤用造成損壞，是制造商首要關(guān)心的事情。

在過去，控制電路板在設(shè)計中，在變壓器原邊或者副邊往往沒有過電流保護的措施，是依靠變壓器把熱量散發(fā)出去，在出現(xiàn)故障的情況下，防止對控制電路板造成損壞。不過，在電路板上的固體器件越來越多，這些固體器很容損壞，因而需要對電平加以限制。

在有閃電和打雷時，或者供電站切換負載的過瞬變過程會引起交流電網(wǎng)產(chǎn)生很大的瞬變電壓或者瞬變功率，它加到電氣設(shè)備上，有可能會造成損壞。IEC 61000-4-5是針對連接到交流電網(wǎng)上的設(shè)備進行電壓和電流測試的全球標準。

裝在交流電壓輸入端的過流和過壓綜合保護措施能夠幫助設(shè)計人員達到安全標準的要求，并且減少元件的數(shù)量、降低成本。

在圖4中是如何把MOV和PPTC器件結(jié)合起來提高設(shè)備在苛刻的交流工作環(huán)境中的可靠性，達到IEC-61000測試標準的要求。

MOV器件能夠承受很大的電流，吸收很大的能量，它的響應很快，成本又低，因而適合用作電源、控制電路板的變壓器以及電機的過壓保護。PPTC過流保護器件的額定工作電壓是交流240 V，允許交流電壓間歇地達到265V，它可以和MOV器件一起，用于交流電壓輸入電路。

PPTC可復器件和一次性的電流熔斷器不同，在出現(xiàn)故障時，只要電流略有上升而引起溫度上升，就能保護電路，防止它們損壞。如果把PPTC器件裝在變壓器的原邊電路中，靠近發(fā)熱元件的地方，例如靠近磁性元件、場效應晶體管(FET)，或者大功率電阻器，只需要一個PPTC器件，就能夠防止電流過大和溫度過高而造成損壞。

有些時候，由于電網(wǎng)過載，會使MOV器件處在箝位狀態(tài)，這時電流繼續(xù)在它上面流過，最終會導致MOV器件的溫度過高而損壞。把PPTC器件放在靠近MOV器件附近，在長時間過載的情況下，由于把熱量傳送到PPTC器件上，對于保護MOV器件是有利的。這樣會引起PPTC器件較快地改變狀態(tài)，限制MOV器件中的電流。然而，我們并不是直接靠PPTC器件來達到IEC 61000-4-5測試標準的要求。

在使用PPTC器件時，設(shè)計人員可以充分利用它的溫度響應，用它取代電路中的其他熱保護器件。在這種情況下，PPTC器件起了兩個作用，不僅如此，它還是一種可以恢復原來狀態(tài)的辦法。因為在故障排除以后，并把加在電路上的電源切斷，器件會恢復原來的狀態(tài)，一般不需要進行維護，不需要更換元件。這有利于降低保修費用和服務費用，提高客戶的滿意度。

在針對特殊的應用系統(tǒng)中選用的PPTC和MOV器件時，要按照IEC 61000-4-5標準中規(guī)定的設(shè)備額定電壓，以及設(shè)備本身的工作狀態(tài)。在選擇PPTC器件時，主要考慮的問題是，在正常運作的情況下，PPTC器件的保持電流額定值要與電氣設(shè)備變壓器原邊吸收的電流匹配。

用于LCD加熱元件的保護技術(shù)

液晶顯示器(LCD)在家用電器中得到廣泛應用，但是溫度變化對它的影響很大。這是因為LCD在低溫下的性能很差，往往使用加熱元件來提高它的溫度，改善它的功能。一般的做法是，把加熱元件的溫度傳感器連接到由微處理器進行控制的開關(guān)上，開關(guān)則控制著加熱元件，當LCD的溫度超過規(guī)定的范圍時，就切斷加熱元件的電源。

這個方法的缺點在于，它是用同一個微控制器來進行過熱控制和控制加熱元件。所以，如果是由于微控制器出現(xiàn)故障或者其他控制元件出故障而喪失加熱元件的控制功能，在高溫的情況切斷電源的功能也會喪失。如果這個控制電路出現(xiàn)故障，在加熱元件中流過的電流會上升，導致發(fā)熱失控。

安裝一個PPTC器件，它是獨立于加熱元件控制器，就能夠保護LCD和加熱器控制電路，避免溫度過高而造成損壞。如圖5所示，PolySwitch LVR器件一般是放在電源和加熱器之間的連接線路中，它把LCD顯示器上的熱量傳導出去。當LCD的溫度達到某一個預定溫度時，PPTC器件動作，它的狀態(tài)改變了，發(fā)熱元件中的電流便下降。

使用PPTC器件需要考慮的問題

在電路中使用PPTC器件時，在設(shè)計方面要考慮的關(guān)鍵參數(shù)有PPTC器件的保持電流、觸發(fā)電流、周圍環(huán)境對器件性能的影響，器件的恢復時間、在觸發(fā)到高阻狀態(tài)時的漏電流，以及自動或者手動恢復的條件。

保持電流和觸發(fā)電流

圖6是PPTC器件的保持電流和觸發(fā)電流隨著溫度的變化。A區(qū)是PPTC器件觸發(fā)并且對電路起保護作用的電流和溫度。B區(qū)是PPTC器件可以讓電路正常工作的電流和溫度。在C區(qū)，PPTC器件有可能觸發(fā)到高阻狀態(tài)或者仍然處在低電阻狀態(tài)，這決定于各個器件的電阻及周圍的環(huán)境。

由于PPTC器件會因為溫度過高而觸發(fā)，在器件周圍溫度的任何變化都會影響它的性能。隨著器件四周的溫度上升，器件觸發(fā)到高阻狀態(tài)所需要的能量較少，因此保持電流(I_hold)下降。陶瓷PTC器件和聚合物PTC器件的制造商提供了發(fā)熱降額曲線和保持電流I_hold。隨溫度變化的數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計人員選擇合適的器件。

環(huán)境條件對器件性能的影響

器件的傳熱環(huán)境對它的性能會有很大影響。一般地講，提高器件的傳熱能力，相應地功耗、改變狀態(tài)的觸發(fā)時間和保持電流都會增大。如果把熱量從器件中傳導出去的能力下降，情況則相反。進一步講，器件四周的熱容量如果改變也會改變器件的觸發(fā)時間。

PPTC器件的觸發(fā)時間定義為出現(xiàn)故障電流到器件觸到高阻狀態(tài)所需要的時間。觸發(fā)時間取決于故障電流的大小和周圍的溫度。

當熱量散發(fā)到四周去的速度低于產(chǎn)生熱量的速度時，PPTC器件就會動作，改變狀態(tài)。如果產(chǎn)生的熱量大干散發(fā)出去的熱量，器件的溫度就會上升。溫度上升的速度和器件改變狀態(tài)所需要的總能量取決于故障電流和傳熱環(huán)境。

在正常的運作條件下，PPTC器件產(chǎn)生的熱量和傳給四周環(huán)境的熱量是處于平衡狀態(tài)。

12R=U(T-TA)式中：I=PPTC器件中流過的電流，R=PPTC器件的電阻，u=總傳熱系數(shù)，T=PPTC器件的溫度，T_A=環(huán)境溫度。

不論是電流增大，環(huán)境溫度上升，或者是兩者兼有之，都會引起器件的溫度達到某一個值，這時它的電阻會迅速增大。電阻的很大變化會引起PPTC器件中流過的電流下降，從而保護電路不致?lián)p壞。

保持電流是器件中能夠一直地流過、而且不會從低阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變到高阻狀態(tài)的最大電流。保持電流可以按照傳熱環(huán)境精確地確定，在設(shè)計方面，在選擇器件時，有許多因素會影響到它，其中包括PPTC器件的位置離熱源(例如變壓器)的靠近程度，這會降低保持電流、功耗和改變狀態(tài)所需要的時間。

電器中用于按鈕和鍵盤的靜電放電保護

當使用人員按下開關(guān)時，用于控制電器設(shè)備的按鈕和鍵盤可能會受到靜電放電(ESD)的影響，因而損壞控制面板的內(nèi)部電路。泰科電子的PESD器件常常用于把靜電旁路掉，防止它對電子設(shè)備中容易損壞的電路造成損壞。PESD器件的電容極小，能夠幫助制造商達到IEC1000-4-2測試標準的要求。這種器件的觸發(fā)電壓和箝位電壓低于常見的聚合物靜電放電(ESD)器件，因而能夠更好地保護那些易受ESD影響的元件。

PPTC器件的優(yōu)點

·在出現(xiàn)故障時，PPTC器件不會反復出現(xiàn)通斷的現(xiàn)象。在出現(xiàn)故障時，雙金屬片斷路器的接通和斷開的時間各占百分之五十，于是電流有百分之五十會流到電機中。PPTC器件與雙金屬片斷路器不同，它能夠處在觸發(fā)后的高阻狀態(tài)，也就是斷路的狀態(tài)，把故障電流減少幾個數(shù)量級。

·PPTC器件中沒有機械觸點，而機械觸點存在腐蝕、觸點熔化而連在一起的問題，或者會因為電弧(在接通和切斷電感性負載例如電機時，這個現(xiàn)象特別明顯)而產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。

·PPTC器件中沒有會形成二氧化硅的觸點。如果使用硅膠作為潤滑劑，當出現(xiàn)電弧時，就會形成二氧化硅。二氧化硅起絕緣作用。

·PPTC器件會跟蹤電動機的電流、溫度和元件損壞所用的時間，包括導線的絕緣狀況，而改變到開路狀態(tài)。隨著環(huán)境溫度的上升，電機變得容易損壞，由于PPTC很靈敏，有利于保護電機。

·與CPTC器件相比，PPTC器件一般尺寸較小，在觸發(fā)到高阻狀態(tài)之后，它的表面溫度較低。

·PPTC器件的電阻較小，電容也較小，受頻率的影響較小，這與CPTC器件不同。

結(jié)語

PPTC器件的電阻小、改變到高阻狀態(tài)的觸發(fā)時間快、厚度小，而且它的功能可以恢復，這些對于電路設(shè)計人員是很有利的，可以用它設(shè)計出安全可靠的產(chǎn)品，并且符合有關(guān)法規(guī)的要求。泰科電子的PolySwitchLVR器件可以廣泛地用于各種電器，它符合UL 1434標準，得到CSA和TV的批準，符合RollS條例，與無鉛焊料兼容，可以用大批量的組裝工藝進行組裝。