傳統的針對大電流鋰離子電池應用(如無線電動工具、電動車和后備電源)的電路保護方案傾向于使用大型、復雜或昂貴的保護技術。例如，一般電路保護設計方案采用IC和MOSFET結合使用的方案或者其他類似的復雜方案。某些設計可能考慮在要求30A以上工作電流的直流電源應用中采用傳統的雙金屬片保護器件，不過，該方案要求雙金屬片接觸點足夠大，以承受大電流，這導致保護器件體積過大；此外，這些傳統雙金屬保護器件的動作次數必須受到限制，因為觸點之間可能產生的電弧會損壞觸點。
本文介紹了一種新的混合式技術，它可提供一種緊湊、穩健的電路保護器件，它能在額定電壓超過30VDC的情況下提供30A以上的工作電流。這種金屬混合PPTC器件(MHP)由一個雙金屬片保護器和一個聚合物正溫度系數(PPTC)器件并聯而成。這種組合既能提供可復位的過電流保護功能，又可利用PPTC器件的低電阻特性來防止雙金屬片在大電流條件下產生電弧，同時還能加熱雙金屬片，使其保持在打開鎖定狀態。
混合技術——設計概念
大電流放電鋰離子電池組應用要求穩健、可靠的電路保護。市場對更輕、更小設備日益增長的需求意味著這些電池保護設計必須提供更高的可靠性，同時占用更少的空間。在這種市場趨勢下，新的MHP混合器件應運而生。這種器件可以用來替代許多復雜IC/FET電池保護設計中使用的放電FET和相配套的散熱器，或減少它們的數量，同時增強保護功能。
在MHP器件正常工作時，由于雙金屬片的電阻低，電流通過雙金屬片流過。當異常情況發生時，比如電動工具轉子閉鎖時，電路中將產生很大的電流，導致雙金屬觸點打開，其接觸電阻增加。此時電流將流經電阻更低的PPTC器件。流過PPTC的電流不僅抑制了觸點之間電弧的產生，同時又能加熱雙金屬片，使其保持在打開鎖定狀態。如圖1所示，MHP器件的動作步驟包括：
1. 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片。
2. 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，從而防止觸點之間產生電弧。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。
3. 觸點打開后，PPTC器件開始對雙金屬片進行加熱，使其保持在打開狀態，直到過電流條件消失或電源關閉為止。
圖1：MHP器件的動作步驟
PPTC器件的電阻要遠低于陶瓷PTC器件電阻，也就是說即使觸點只打開一小部分，接觸電阻也只是略有上升，電流會被分流到PPTC器件，從而有效防止觸點間產生電弧。通常在室溫下陶瓷PTC器件和聚合物PTC器件的電阻相差約10的兩次方(x10^2)，所以，當電阻較高的陶瓷PTC器件與雙金屬并聯使用時，在抑制大電流電弧放電方面遠不如MHP器件來得有效。
結合使用雙金屬和PPTC
圖2a和2b顯示了只使用一個雙金屬保護器時的電流和電壓情況。圖2a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2b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下產生電弧，從觸點開始打開到觸點粘連(短路)的時間是334毫秒。
圖2a：在兩倍額定電壓條件下的雙金屬保護器特性。圖2b：在額定電壓條件下的雙金屬保護器特性。
圖3顯示了并聯使用PPTC器件和雙金屬保護器的結果——電流被明顯切斷。從雙金屬保護器開始動作到PPTC器件被完全激活的時間是6.48毫秒，見圖3的左圖。圖3的右圖表明，當施加的電壓兩倍于額定電壓時，從保護器開始動作到電流被切斷的時間是4.8微秒。
結合圖3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，保護器觸點不會產生粘連，我們還可看到PPTC器件如何幫助防止觸點產生電弧。
圖3：在兩倍于額定電壓的條件下并聯使用PPTC器件和雙金屬保護器
觸點尺寸和電阻值
典型的雙金屬保護器上只有一個觸點，所以其耐壓能力并不強。在單觸點設計中，較大的電流所需的觸點尺寸會很大。為了解決這個問題，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。該技術相對于常用雙金屬保護器而言具有以下幾點優勢：
1. 由于電流路徑極短，所以器件的電阻非常低、
2. 只有接觸點才會產生熱點，從而可以使用熱控制方法實現準確的熱激活
3. 它使MHP器件相對于額定參數相當的其他斷路器而言可以更加緊湊
相比之下，因為標準雙金屬觸點僅位于一個位置，所以它的耐壓能力不如MHP器件。
耐沖擊/振動能力
MHP器件可以提供更長的使用壽命，能承受較大的振動和沖擊，可應用于大電流應用的苛刻工作環境。典型的電動工具電池組都是在較大的振動和沖擊條件下工作。為了滿足這些要求，MHP器件的觸點之間需要足夠的接觸壓力。
標準的保護器件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)產生的壓力也達不到保持觸點接觸所需的壓力。
為了解決這一挑戰，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增加了一個倒鉤，以增加雙金屬盤提供的接觸壓力。移動接觸臂通過裝置另一側的插銷固定。在靠近觸點的地方增加一個倒鉤可以減少移動臂的轉動，從而在兩個觸點上產生更大的向下壓力。MHP器件經過了1500g跌落測試方法下的1000次沖擊，未出現故障，還通過了三次3000g的沖擊測試。
圖4a給出了器件在1A負載條件下經過1500g沖擊/1000次循環測試的結果。結果表明，在1500g沖擊下沒有發生電流切斷。圖4b給出了器件在1A負載條件下經過3000g沖擊/3次循環測試的結果。沖擊或振動方向也與圖4a相同。結果表明，在3000g沖擊下也沒有發生電流切斷。
跌落測試結果：
· 1500g x 1000次循環/無負載→無電阻變化
· 1500g x 1000次循環/1A負載→無電流切斷
· 3000g x 3次循環/1A負載→無電流切斷
圖4a：1A負載條件下的1500g跌落測試結果。圖4b：1A負載條件下的3000g跌落測試結果。
MHP器件規格
MHP30-36器件是規劃的MHP產品系列中的首批器件，最大額定值為36VDC/100A，在100A (@25℃)條件下的跳閘時間小于5秒。這些器件的工作電流為30A，初始電阻不到2mΩ，低于常見雙金屬保護器的初始電阻(通常為3至4mΩ)。
MHP30-36器件在50A條件下的跳閘時間為25秒±5秒。該跳閘時間長短剛好，既可防止電池組因過度放電而出現過熱，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(鉆頭)轉子卡住)為電池組提供保護的最關鍵參數。在這種情況下，跳閘時間不應超過5秒，復位時間(向工具重新供電所需的時間)不應超過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5顯示了MHP器件的開關和尺寸。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。
圖5：MHP30-36器件尺寸
結論
混合式MHP器件通過集成雙金屬保護器和PPTC器件提供可復位的過電流保護，并利用PPTC器件的低電阻抑制大電流條件下的電弧放電。這種技術提供了一種耐用的可復位的電路保護方案，為鋰離子電池組設計師提供了一種優化空間、節約成本并且滿足未來電池安全要求的有效方法。、
MHP器件的可擴展技術可以針對不同應用進行配置。目前正在開發適用于更高電壓(最高可達400VDC)和工作電流(60A)的器件。用于保護太陽能系統和其它后備電源應用中使用的鋰離子電池組和模塊的設計概念也在開發中。通過提供用作信號線的第3個端子，這些MHP器件可以使用“智能激活”檢測技術監視電池的各種重要功能。