正溫度系數熱敏電阻(PTC)和負溫度系數熱敏電阻(NTC)的工作原理


隨著移動通訊業在國內的迅猛發展,國內的手機消費者越來越多,由于手機是靠電池供電的產品,在電池內部通常都會帶有一個PTC和NTC,很多人不明白它們在電池中所起的作用,本文對此作一闡述。 
在手機電池內部的PTC和NTC都是屬于熱敏電阻器,熱敏電阻器按其阻抗與溫度特性分為正溫度系數(PTC)熱敏電阻器和負溫度系數(NTC)熱敏電阻器。PTC是Positive Temperature Coefficient的英文首字縮寫,其含義為正溫度系數,NTC是Negative Temperature Coefficient 的英文首字縮寫,其含義為負溫度系數,通常為方便起見,常將這兩種電阻簡稱為PTC和NTC。 
一、手機電池內的PTC熱敏電阻介紹 
通常意義上的PTC是指一種以鈦酸鋇為主要成分的高技術半導體功能陶瓷材料,具有電阻值隨著溫度變化而變化的特性,特別是在居里溫度點附近電阻值躍升有3——7個數量級。此種PTC利用其最基本的電阻溫度特性及電壓——電流特性與電流——時間特性,已廣泛應用于工業電子設備,汽車及家用電器等產品中,以達到自動消磁、過熱過流?;?,馬達啟動,恒溫加熱,溫度補償、延時等作用。 
電池內的PTC與上述PTC并不相同,通常被稱之為“自恢復保險絲”,英文名稱為“Polyswitch”,其含義為高分子聚合物開關,它是近幾年出現的新型正溫度系數過流過溫?;ぴ?,它的特點是當溫度達到某定值時,其電阻值會顯著增加,呈高阻狀態,相當于斷開回路,而當使溫度降低后,它便自動復位導通,恢復至低阻狀態,并且這種斷開-自動恢復過程可重復數千次,目前主要用于小功率電子設備的短路及過載?;?。 
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 自恢復保險絲主要以經過特殊處理的聚合樹酯(Polymer)為基礎,摻入導體(如碳元素)而構成。在正常情況下,聚合樹酯將導體微粒緊密束縛于結晶狀的結構內,構成一種低阻抗(幾毫歐至幾十毫歐)煉鍵,線路上流經自恢復保險絲的電流所產生的熱量很小,不會改變聚合樹酯的晶狀結構,從而電路保持低阻導通。然而,當電流急劇增加時,自復保險絲的溫度也會在很短時間內迅速上升,過高的溫度會使聚合樹酯由結晶狀變成膠狀,這時被束縛在聚合樹酯上的導體便會分離,阻抗迅速提高,使回路的電流迅速變小,達到?;つ康?,在回路電流變小后,若導致過流的故障并未排除,回路中仍會保持一定的電流值,該電流會使PTC保持在發熱狀態,并維持高阻態,待過流故障排除后,溫度下降,導體煉鍵又重新建立,PTC會自動恢復成低阻抗導體。 
自恢復保險絲的?;ざ魘奔涫嗆飭克沒檔囊桓鮒匾問?,該參數與其內阻、環境溫度和動作前所流過的電流大小有關,環境溫度越高,內阻或電流越大,其溫度上升越快,因此其?;ざ髟嬌?。 
由于自恢復保險絲是串聯在電源電路中使用,在流過電流時,需要消耗一定的電能,因此它的內阻也是一個重要參數,從耗能與對外供電能力上看,其內阻越小越好,但內阻小會使過流?;な鋇姆從λ俁缺瀆?,并會使?;ず笪制浞⑷鵲牡緦鶻洗?,因此在實際使用中,應按具體的應用情況來選擇合適規格的PTC。 
    
由于自恢復保險絲的以上特性,在手機電池中被廣泛應用于過流和短路?;?,使電池的安全性得以提高。 
  自恢復保險絲的型號、規格很多,僅美國瑞侃公司生產的就有十多個系列,每一系列又有十幾個規格。國內也有不少廠家生產此類PTC,如維安、中基、亞光、武進等等,某些品牌的質量也相當不錯。 
二、手機電池中的NTC熱敏電阻介紹 
對于許多從事電子行業的人來說,對NTC熱敏電阻并不陌生,它是一種以過渡金屬氧化物為主要原材料,采用電子陶瓷工藝制成的熱敏半導體陶瓷元件,它的電阻值隨溫度升高而降低,利用這一特性可制成測溫、溫度補償和控溫元件,又可以制成功率型元件,抑制電路的浪涌電流。它的價格低廉,在電子產品中被廣泛應用,而且具有多種封裝型式,能夠很方便地應用到各種電路中。 
電池中的NTC大多數為貼片封裝,其大小從0402到0805都有,它在電池中主要起溫度監測的作用,在電池的充、放電過程中,手機根據其阻值大小來判斷電池溫度,而后作相應控制,如停止充電或涓流充電等。 
NTC
根據材料、工藝等不同情況,有不同的阻值和溫度變化特性,其阻值隨溫度的變化曲線是非線性的,其特性符合以下公式:

電阻溫度特性

NTC熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示:

式中:
RT:溫度T時零功率電阻值。
A:與熱敏電阻器材料物理特性及幾何尺寸有關的系數?!?br/>B:B值。
T:溫度(k)。 
更精確的表達式為:

式中:RT:熱敏電阻器在溫度T時的零功率電阻值。
   T:為絕對溫度值,K;
   A、B、C、D:為特定的常數。

 
 
式中的R25是熱敏電阻在25℃室溫下的阻值,B是熱敏電阻材料的開爾文(Kelvins)常數,T是熱敏電阻的實際攝氏溫度。 
對常溫下同樣阻值的熱敏電阻,由于其B值的不同,其電阻-溫度特性曲線將有很大的差異,下圖為阻值相同而B值不同的NTC熱敏電阻的溫度特性曲線。 




從上圖可以看出,即使常溫下相同阻值的熱敏電阻,由于B值的不同,無論在高溫還是低溫中,其阻抗變化均不一樣,因此在使用中,根據實際情況不僅要選用適當阻值的NTC,同時還要考慮選用適當B值的NTC。在熱敏電阻廠家提供的型號規格中,除了阻值、B值與封裝外,還包括阻值誤差精度和B值誤差精度,在精密測量中,此點尤為要注意。 
NTC
的型號、規格也很多,國外的知名廠家有日本三菱、日本TDK、日本立山、韓國的EXPAND等等,國內也有不少廠家,某些品牌的質量也相當不錯。 
三、PTC和NTC在手機電池中的應用實例 
下圖為某品牌諾基亞3310手機電池的典型電路圖,該電路組裝在一個小電路板上,放置于電池內部,圖中的FA1為自恢復保險絲,其型號為美國瑞侃公司的VTP210S,它裝配在電池的側面,串聯在電芯的正極與輸出正極之間,起溫度?;び牘鞅;さ淖饔?。 
圖中的RT為熱敏電阻,為貼片封裝,裝配在電池前端的電路板上,其阻值為10k,B值為4000K。在電路中起溫度檢測的作用,手機通過它來判斷電池溫度。圖中的R3為ID電阻,手機用其判斷電池類型,在3310手機電池中,ID電阻為75k的是鋰離子電池,ID電阻為5k6的是鎳氫電池,鋰離子電池與鎳氫電池所用的熱敏電阻一樣。 
需要說明的另外一點是,在鋰離子電池中的PTC是起第二重?;ぷ饔?,假設在電池被短路情況下,由于?;さ緶返姆從λ俁齲ㄎ⒚爰?,典型值為5微秒)遠快于PTC的反應速度,因此最先起?;ぷ饔玫氖潛;さ緶?,在?;さ緶肥Ш?,PTC才起作用。但由于在鎳氫電池中無需?;さ緶?,因此只靠PTC起?;ぷ饔?。 
圖中虛框內為鋰離子電池?;さ緶?,該?;せ羋酚閃礁鯩OSFET(V1、V2)和一個控制IC(N1)外加一些阻容元件構成??刂艻C的VDD與V-分別負責監測電池電壓與回路電流,并控制兩個MOSFET的柵極,MOSFET在電路中起開關作用,分別控制著充電回路與放電回路的導通與關斷,C3為延時電容,該電路具有過充電?;?、過放電?;?、過電流?;び攵搪繁;すδ?,其具體工作原理因與本文無關,不再贅述。 

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