運(yùn)用帶PolySwitch? PPTC器件進(jìn)行汽車線束保護(hù)的優(yōu)勢

使用不需要司機(jī)維護(hù)的可復(fù)位電路保護(hù)器件為設(shè)計(jì)人員提供了大量可單獨(dú)使用也可組合使用的解決方案。位于儀表面板中的單一接線箱可能仍然要使用。與熔斷器不同的是，為便于更換，熔斷器必須安裝在接線箱上部，而PPTC器件可以嵌入接線箱內(nèi)或安裝在接線箱的其他表面上，從而減少了正面的面積需求，如圖3所示。

此外，通過把保護(hù)器件靠近連接器擺放，可以縮短軌跡長度，接線箱外觀尺寸也可以縮小。也可以選擇把接線箱分成若干較小的單元，并圍繞車身重新選擇它們的位置，而不用考慮是否便于用戶接近。在這種情況下，PolySwitch器件可以幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)能更加嚴(yán)格地反映優(yōu)化的樹形結(jié)構(gòu)及其伴隨效益的電氣結(jié)構(gòu)。

PolySwitch器件具有各種形狀系數(shù)，便于實(shí)現(xiàn)與接線箱或電器組件之間的各種接口方案。插裝式(通孔)器件和表面安裝器件使其適合安裝在使用印刷電路板的熔斷器盒或模塊內(nèi)。Strap器件則可以用于金屬電極連接。

新一代PolySwitch片式器件還可以象插片式熔斷器或雙金屬斷路器那樣插入接線盒內(nèi)。雖然這些器件可以自動(dòng)復(fù)位，不需要用戶更換它們，片式器件外形可以讓設(shè)計(jì)人員更換熔斷器或雙金屬器件，而不用等待下一次重新設(shè)計(jì)接線盒。

圖3. 傳統(tǒng)接線盒設(shè)計(jì)(左)與尺寸縮小的接線盒設(shè)計(jì)(右)之比較
提高可靠性
除了節(jié)省重量和成本之外，電路保護(hù)器件的可靠性也是決定如何保護(hù)車輛電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。與熔斷器相比，PPTC器件具有明顯的優(yōu)勢，它們能夠耐受汽車環(huán)境中的各種過流事件—包擴(kuò)諸如導(dǎo)線絕緣層磨損和連接器中接線端子松動(dòng)等情況，而不會(huì)造成器件燒毀或降級(jí)。

PolySwitch器件是用導(dǎo)電填料制造的，如炭黑，可以提供貫穿器件的導(dǎo)電通道。這種器件在正常工作條件下具有電阻較低的特性，而當(dāng)過多電流流經(jīng)該器件時(shí)，其溫度會(huì)升高，晶體狀聚合物會(huì)改變成非晶態(tài)。

如圖4所示，這種瞬態(tài)會(huì)造成聚合物膨脹，導(dǎo)電聚合物內(nèi)的導(dǎo)電通路斷路。在故障時(shí)間過程中，器件電阻一般會(huì)增大三個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高。升高的電阻有助于保護(hù)電路中的設(shè)備，方法是把故障條件下流動(dòng)的電流降低至較低的穩(wěn)態(tài)水平。故障被排除、電路重新加電前該器件將始終保持在鎖閉(高電阻)位置；在這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電復(fù)合材料逐步冷卻并結(jié)晶，使PolySwitch器件恢復(fù)至低電阻狀態(tài)，并使受到影響的設(shè)備恢復(fù)至正常工作狀態(tài)。


圖4. PolySwitch通過從低阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)來響應(yīng)過流或過溫條件，幫助保護(hù)電路
技術(shù)比較
由于熔斷器是單一用途器件，熱容量較低，在某些應(yīng)用中它們必須選擇“加大”規(guī)格，或者規(guī)定升高的額定電流，以便防止“誤燒毀(nuisanceblow)”。與之相反的是，PPTC 器件的熱容量和跳閘溫度允許更密切地配合設(shè)備的損傷電流，因此縮短了較低電流故障事件中的激活時(shí)間。在某些配置中，PPTC器件在指定故障電流下激活比熔斷器激活更快。

“誤燒毀(nuisance blow)”常常是因?yàn)榕c機(jī)動(dòng)設(shè)備上存在的特定電氣元件有關(guān)的涌入電流而造成的。例如，間歇工作的電機(jī)常常設(shè)計(jì)為工作有限的一段時(shí)間。一般來說，運(yùn)行這種產(chǎn)品的時(shí)間如果超過了設(shè)計(jì)的最大極限，就會(huì)造成堵轉(zhuǎn)、過熱最終直至失效。出現(xiàn)故障條件時(shí)仍保持通電，原因要么是接觸不良，要么就是用戶誤操作。為防止過熱，電路保護(hù)器件必須迅速“跳閘”—但不能比指定時(shí)間更短—以避免對(duì)用戶形成誤操作。

使用PPTC器件的主要優(yōu)勢在于，能夠規(guī)定該器件的跳閘電流大大低于電機(jī)的正常工作電流，但跳閘時(shí)間卻可以規(guī)定為完整系統(tǒng)工作周期的數(shù)倍，從而防止誤跳閘。

當(dāng)接觸到超過系統(tǒng)工作電流的故障條件時(shí)，熔斷器會(huì)達(dá)到不需要的溫度，卻又不足以導(dǎo)致及時(shí)激活。與此相反的是，PPTC器件的激活速度相對(duì)較快、溫度穩(wěn)定，因此故障電流對(duì)其表面溫度影響不大。

平均故障間隔時(shí)間(MTTF)是選擇電路保護(hù)器件的另一個(gè)重要考慮。MTTF與MTBF(平均無故障時(shí)間)的計(jì)算相同。其區(qū)別是MTBF是指可維修的系統(tǒng)，即一次維修到下一次故障之間的時(shí)間。而MTTF則用在無法維修的情況下，如某個(gè)單一元件。

表2按照電信行業(yè)的可靠性預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)Bellcore TR332比較了PolySwitch器件與其他電路保護(hù)器件的MTTF。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)車輛的電氣/ 電子系統(tǒng)中也扮演著重要角色。AEC-Q200——被動(dòng)元件的應(yīng)力測試標(biāo)準(zhǔn)，包含了用于汽車環(huán)境的PPTC器件測試要求。該試驗(yàn)方案包括一系列電氣和環(huán)境應(yīng)力測試，要求在每次受力前后進(jìn)行電氣驗(yàn)證。電氣驗(yàn)證試驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的是核查器件在三種溫度下(-40℃、25℃和最高溫度)是否滿足電阻、跳閘時(shí)間和維持電流的性能要求。

泰科電子的PolySwitch器件具有汽車環(huán)境要求的穩(wěn)健特性，符合嚴(yán)格的測試程序，這些程序定義了應(yīng)力測試前后的性能極限。用于汽車等級(jí)器件鑒定的泰科電子PS400規(guī)范涵蓋了AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)，并采納了各種ANSI、ISO、JEDEC、UL和軍方標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的有關(guān)物理、功能、環(huán)境、電氣和機(jī)械要求。 表2. 電信應(yīng)用中電路保護(hù)器件的MTTF比較
應(yīng)用PolySwitch器件和分散式架構(gòu)
配電分散化為電氣及電子系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新提供了許多機(jī)遇。下面列舉了若干實(shí)例，說明了可復(fù)位電路保護(hù)所起的作用。

縮小了直流電機(jī)和執(zhí)行器的導(dǎo)線、端子、連接器及開關(guān)尺寸
由于失速電流較高，典型集中式配置中的電機(jī)電路一般通過大規(guī)格斷路器或熔斷器加以保護(hù)。這種設(shè)計(jì)必須使用規(guī)格更粗的導(dǎo)線，因此接口引腳和連接器的規(guī)格也必須較大。其結(jié)果就是借口封裝面積必須更大，從而帶來了空間和重量問題。此外，由于后門車窗、門鎖和后艙電動(dòng)天線的電機(jī)距離其控制開關(guān)較遠(yuǎn)，電機(jī)饋線可能又長又重。

與此相反，分散式架構(gòu)允許設(shè)計(jì)人員把PPTC器件安裝在控制電機(jī)的開關(guān)、繼電器或電子驅(qū)動(dòng)電路上，實(shí)現(xiàn)了電路保護(hù)器件的合理分布。PPTC器件還限制了經(jīng)饋線電路流向受保護(hù)電機(jī)的電流。這樣就可以大大縮小饋線規(guī)格。以電動(dòng)車窗為例，如果采用上游斷路器進(jìn)行保護(hù)的話，饋電一般要使用3.0 mm2導(dǎo)線。如果在電機(jī)控制開關(guān)中采用PPTC器件，饋線規(guī)格可以縮小到0.8mm2，由壓降決定。

導(dǎo)線規(guī)格縮小又可以使用尺寸更小的端子、接口連接器和開關(guān)。此外，微調(diào)(微控)電路也可以在驅(qū)動(dòng)電路中使用成本更低、功率更小的無保護(hù)晶體管。最終大大節(jié)省了導(dǎo)線總成及其相關(guān)硬件的成本。使用小規(guī)格導(dǎo)線減小了布線總成線束的尺寸，提高了導(dǎo)線的靈活性。改善了布線總成的外觀。也減小了在車輛中安裝導(dǎo)線需要的外力，因而降低了安裝過程中造成損壞
的可能性。以下實(shí)例說明了這種好處的實(shí)用性。