引言

應用于無線電動工具、電動自行車、后備電源等領域的大電流放電鋰離子電池快速上升的市場催生了對大電流（在30V直流電壓下，保持電流在30A以上）電路保護器件的需求。

一種新型的MHp保護器件應運而生，該器件由一個雙金屬保護器及一個ppTC（聚合物正溫度系數）器件并聯而成。這種器件既能供應可復位的過電流保護保護功能，又可利用ppTC器件的低電阻特性來抑制雙金屬保護器在大電流條件下動作時出現電弧。

1傳統解決方法與MHp器件

大電流電鋰離子電池組應用要穩定、可靠的電路保護；但是，目前可用的傳統電路保護裝置普遍較大、較復雜或價格較高。有些電路保護設計結合使用IC和MOSFET或類似復雜方法；有些考慮在30A+工作電流的直流電應用中采用雙金屬保護器，但必須用很大的觸點才能承受這么高的電流，結果導致保護裝置體積過大。此外，由于觸點之間出現電弧可能損壞觸點，所以還必須限制動作次數。

相比之下，泰科電子開發的新型MHp綜合器件可代替或減少某些復雜IC/FET電池保護設計中所用的放電FET及散熱器件。將MHp器件用于高倍率放電鋰離子電池組應用可減少空間占用，節約成本，提高保護性能。

2工作原理

在正常狀態下，由于雙金屬片的電阻低，電流通過雙金屬片流過。在異常情況下，比如電動工具轉子閉鎖時，電路中將出現很高的電流，導致雙金屬觸點打開，其接觸電阻為大電流放電鋰離子電池應用供應可復位電路保護的新方法新增。此時電流將通過低電阻的ppTC流過。流過ppTC的電流，不僅抑制了觸點之間電弧的出現，同時又加熱雙金屬片，使其保持在打開狀態和鎖定位置。這種集成設計滿足了大電流直流應用中具有電弧抑制功能的可復位過流保護器件的要求。

如圖1所示，MHp器件的動作步驟包括：

a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。

b觸點開始打開，接觸電阻迅速上升。當接觸電阻高于ppTC器件電阻時，大部分電流將分流至ppTC器件，流經觸點的電流會很少或完全沒有，從而防止觸點之間出現電弧。當電流分流至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。

觸點打開后，ppTC器件開始對雙金屬進行加熱，讓其保持打開狀態，直到過電流條件消失或電源關閉為止。ppTC器件的電阻要遠遠低于陶瓷pTC器件電阻，也就是說即使觸點只打開一小部分，接觸電阻只是略有上升，電流也會被分流至ppTC器件，從而有效防止觸點出現電弧。一般情況下，陶瓷pTC器件與聚合物pTC器件的電阻相差約10的兩次方（x10^2）。所以，電阻較高的陶瓷pTC裝置在抑制高電流電弧放電方面遠不如聚合物pTC器件有效。

圖2是顯示雙金屬保護器與ppTC器件并聯的電路圖

3結合使用雙金屬和ppTC的優勢

圖3和圖4顯示了只使用一個雙金屬保護器時的電流和電壓情況。圖3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4顯示了雙金屬保護器在兩倍額定電壓條件下的表現。一個標準的雙金屬保護器在故障條件出現電弧，從觸點開始打開到出現短路的時間是334毫秒。

圖5顯示了并聯使用ppTC器件和雙金屬保護器的結果電流被切斷。從雙金屬保護器開始動作起到ppTC器件被完全激活的時間是6.48毫秒。從保護器開始動作起到電流被切斷的時間是4.80毫秒（見圖5的右圖）。

結合圖5中的兩幅圖像，我們可以看到電流從雙金屬保護器向ppTC器件的平穩過渡，沒有出現保護器觸點熔合，我們還可看到ppTC器件如何幫助防止觸點出現電弧。

4MHp器件優勢

接下來的部分描述了MHp器件相關于常用電路保護器件而言所具有的優勢。

4.1觸點小，電阻低

典型的雙金屬保護器上通常只有一個觸點，所以其耐壓能力并不強。關于單觸點設計，較高的電流所需的觸點尺寸也會很大。為解決該問題，MHp器件采用雙閉合/雙斷開觸點設計，從而大大縮小了裝置尺寸（見圖6）。

該技術相關于常用雙金屬保護器而言具有以下幾點優勢：

a由于電流路徑極短，所以器件的電阻非常低；

b只有接觸點才會出現熱量，從而可以通過熱控制器件執行準確的熱激活；

c它使MHp器件相關于額定參數相當的其他斷路裝置而言可以更加緊湊。

圖6:用于綜合MHp器件的雙閉合/雙斷開觸點設計為方便比較，圖7顯示了標準的雙金屬觸點。

從圖7可以看出，觸點僅位于一個位置上，所以它的耐壓能力不如MHp器件。

4.2提高耐沖擊/耐振動能力

圖8顯示了MHp器件的具體設計優勢，這種設計使MHp器件能供應更長的使用壽命，能承受較大的振動和沖擊，可用于高電流應用的苛刻工作環境。

典型的電動工具在使用時通常會承受較大的振動和沖擊。

為達到此類要求，MHp器件的觸點之間要足夠的接觸壓力。標準的保護裝置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）出現的壓力通常達不到保持觸點接觸所需的壓力。

倒鉤（確保振動和沖擊條件下的穩定接觸）為解決這一問題，MHp器件將設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定。此外，我們還給移動接觸臂新增了一個倒鉤，以新增雙金屬盤供應的接觸壓力。移動接觸臂通過裝置另一側的插銷固定。在接觸點上新增一個倒鉤可減少移動臂的轉動，在兩個觸點上出現更大的向下壓力。MHp器件經過了1000次沖擊和1500次掉落測試，未出現故障；此外還通過了三次3000克沖擊測試。

4.3跳閘周期測試

圖9顯示了MHp器件的電阻/溫度曲線。器件的打開和閉合溫度可通過選擇具有不同打開和閉合溫度的雙金屬進行定制。

圖10顯示了MHp30器件如何通過500多個跳閘周期測試。

圖11顯示了器件電阻的耐振動/沖擊能力，器件在1500克的振動/沖擊條件下進行了1000個周期的振動/沖擊測試。沿觸點打開方向對器件應用沖擊或振動力后，器件設計始終能保持接觸，證明該設計能承受較大的沖擊/振動。

圖12顯示了一個條件為1500克沖擊/1000個周期的測試，器件的電流負荷為1安。該測試的沖擊或振動方向與圖11相同，即沿觸點打開方向。從圖12中我們可以看出，器件在1500克沖擊/振動條件下沒有出現電源被切斷的情況。圖13顯示了一個條件為3000克沖擊/3個周期的測試，裝置電流負荷為1安；沖擊/振動方向與圖12相同。從圖13可以看出，在該測試條件下也沒有出現電流被切斷的情況。

掉落測試結果：

1,500gx1,000個周期/無負荷無電阻變化

1,500gx1,000個周期/1A負荷無電流切斷

3,000gx3個周期/1A負荷無電流切斷

4.4減少占用空間，節約成本

與常用電路保護裝置相比，將MHp器件用于無線電動工具電池組可減少占用空間，節約成本（見圖14a和14b）。MHp器件可用一個價格較低的N通道FET代替兩個價格較高的p通道FET（僅用于充電控制）。另一個節約成本的潛在方法是將IC移動到應用的系統（工具）側，用MHp器件在電池組中供應過度放電保護/短路保護，以達到以后可能出臺的鋰離子電池電動工具應用法規要求。

5MHp器件規格

表1列出了MHp30器件的規格。MHp30器件的最大額定值為36VDC/100A，在100A（@25°C）條件下的跳閘時間為5秒。該裝置的工作電流為30A，初始電阻不到2mohm，低于常見雙金屬保護器的初始電阻（通常為3-4mohm）。

MHp30在50A條件下的跳閘時間為25秒+/-5秒。該跳閘時間長短剛好，它既可防止電池組因過度放電而出現過熱條件，又不會因頻繁跳閘給電動工具操作員帶來不便。

在100A條件下的跳閘時間是在異常條件下（比如電動工具轉子卡住）為電池組供應保護的最關鍵參數。在這種情況下，跳閘時間不應長于5秒，恢復時間（向工具重新供電所需的時間）不應長于30秒該時間也是既能方便用戶，又能防止電池過熱的最佳選擇。

圖15顯示了MHp器件的形狀和大小。該MHp器件的額定工作電流為30A，同等大小的常用雙金屬保護器的額定電流只有15A。此外，器件的一側為扁角，適合安裝在電池組的標準18毫米直徑鋰離子電池單元之間。

6結論

外形緊湊，安裝方便的MHp30器件利用ppTC器件的低電阻抑制高電流電弧放電，能在超過30VDC的額定條件下供應30A+工作電流。MHp器件能在苛刻條件下供應可復位電路保護，為電池組設計者和生產商供應了一種優化空間，節約成本，達到未來電池安全要求的有效方法。

MHp器件技術可通過配置用于各種應用，目前正在開發適用于更高電壓（最高可達400VDC）和工作電流（60A）的裝置。下一步設計考慮包括用于無線電動工具、電動自行車、電動速可達、輕型電動汽車、備用電源應用及非電池應用（比如電機保護）的鋰離子電池組電池保護。