專家講座─一個不嫌多，兩個恰恰好 淺談保護元件及雙保護複合元件

圖一 (a) S公司設計之過電流及過溫雙保護複合元件之等效電路圖，(b)璦司柏電子設計之過電流及過溫雙保護複合元件之等效電路圖

電子產品已與人類生活密不可分，舉凡工作、通訊、娛樂及日常生活用品中，無一不見電子產品的蹤跡，由於其貼近生活之程度與狀況，高標準的可靠度與穩定度是電子產品的首要訴求。以電子產品所搭配的鋰離子電池為例，近幾年所發生的鋰電池電池爆炸事件說明了在電池的應用與設計中，過溫保護與過電流保護是不可省略的重要環節，亦是維持電池安全運作的重要保護機制。璦司柏電子基於多年保護？被動元件的開發經驗，以電池應用為例，簡單說明保護？被動元件於此領域之應用，並藉由整合性元件的開發，提供過溫與過電流雙保護的最佳解決方案。

過電流保護元件的應用

電池充電的過程，常伴隨著極短時間的瞬時突波電流與較長時間的異常大電流的產生，為避免這些電流異常所造成的危險與傷害，保險絲的設計與選用是電池安全的第一道防線。於電路中串連保險絲元件是過電流保護最基本的設計，過電流保護的保險絲可簡單分為一次熔斷式保險絲(single fuse)與可復式保險絲(multi-fuse)。

一次熔斷式保險絲的線路主體多為兩種以上之金屬，當過電流通過保險絲時所產生的熱，可加速金屬材料的相互擴散，進而形成合金而熔斷，此斷路可阻止電流通過以達到過電流保護的作用，對於較長時間的異常大電流與極短時間的瞬時突波，一次式保險絲皆能提供即時的保護。

可復式保險絲的主流是利用特殊的高分子混合導電的顆粒而形成導電高分子，又稱為PPTC(Polymer Positive Temperature Coefficient)保險絲，電流突波的產生造成PPTC溫度上升而導致結構改變與體積膨脹並進而造成阻抗的升高，急遽增加的阻抗可限制電流的大小，進而達成過電流保護的目的，當過電流解除回復常溫時，PPTC可回復其原始的電性狀態為其元件特點，但面對瞬時突波的問題，PPTC有其特性上的不足。

微歐姆電阻(low-ohmic resistor)於電流感測(current sensing)之應用亦可視為電流保護的一種，微歐姆電阻常串連於線路中，當電流通過微歐姆電阻時將造成一電壓降，偵測IC可藉由偵測此電壓降的數值，透過簡單的歐姆定律換算(V=I．R)，進行電流穩定度的監測，由於不希望微歐姆電阻本身阻抗隨溫度變化所產生的誤差，低溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance)是微歐姆電阻選用的一重要參數。

另外，高功率與尺寸微小化亦是微歐姆電阻發展的主要方向，高功率產品多以金屬片材為基礎進行製造，快速將熱由元件中心朝外傳導可提升使用功率規格，而欲突破元件微型化的瓶頸，薄膜技術與黃光技術可提供更均勻的鍍膜製程與更精細的線路尺寸，是跨越元件微型化障礙的最佳製程解決方案。

過溫保護元件的應用

電池充放電(charge-discharge)的過程，伴隨著放熱反應所導致的電池溫度升高，尤其在鋰離子電池過充電(overcharge)情形下，其電池內部的液態電解質(liquid electrolyte)便可能因溫度過高而產生氣化，電解液氣化的體積膨脹與壓力升高將造成電池結構的破壞與漏液，甚者出現短路爆炸的危險。

為避免超溫所造成的風險，多以負溫度係數熱敏電阻(Negative Temperature Coefficient Thermistor)進行電池溫度的偵測以達過溫保護的目的。NTC熱敏電阻具高溫度係數特性，其電阻值會隨著溫度上升而顯著下降，可作為溫度補償、溫度偵測的溫度感測元件，亦具備突波能量吸收的功能，溫度感測乃是利用其顯著的阻值變化特性來偵測微小的溫度變化，以作為溫度監控或是過溫保護機制作動的依據。亦有業者提出以正溫度係數電阻作為過溫保護元件，藉其電阻隨溫度增高而上升之特性形成斷路而達到過溫保護，然其作動時間較長的缺點則限制了其應用。

雙保護複合元件之開發

目前，針對鋰離子電池領域的應用，已有具備過電流保護及過溫保護功能的雙保護複合元件產品問世，其等效電路圖如圖一(a)所示，此元件將保險絲與電阻整合於一陶瓷基板上，可縮小電路設計的空間，驗證了整合型保護/被動元件的發展趨勢。當過電流突波發生時，元件內的保險絲可即時熔斷而將電路斷路，發揮過電流保護的功能。

當過溫發生時，電路內的NTC熱敏電阻與其搭配的控制IC可偵測出過溫異常並施加一電流於保險絲元件內之電阻，此電阻在通電流後成為一加熱體(heater)，用來提高保險絲元件的溫度而加速保險絲熔斷，達到過溫保護的目的。此設計雖將元件開發帶入一個新的時代，可縮小部分電路設計空間，但依舊無法解決電路中包含主動元件所帶來的成本增加與主動元件失效風險，為此，璦司柏電子開發出不同的解決方案，利用薄膜技術將正溫度係數熱敏電阻與保險絲並聯整合於一陶瓷基板上，其等效電路圖如圖一(b)所示，當過電流發生時，保險絲優先熔斷使電流湧向PTC熱敏電阻而升溫，最終致使其阻值升高而全面斷路，達到過電流保護；當過溫現象發生時，PTC熱敏電阻因受熱而阻值升高，將使電流集中至保險絲將其熔斷後，電流再度回到PTC熱敏電阻而達到全面斷路之效果，達到過溫保護。如此一來，可藉由單一被動元件之設計，大幅縮小線路設計之空間與成本，提升市場競爭力與產品接受度。

在各式電子產品其穩定度與可靠度的高標準要求下，保護元件的使用與開發實是一重要環節，璦司柏電子研發團隊曾開發多款電流感測微電阻、過電流保護元件與過電壓保護元件，藉由這些豐富的開發經驗與製程技術，致力於各單一元件與整合型保護/被動元件研發，以面臨未來元件微型化與整合性挑戰。(本文由璦司柏科技工程研發經理廖政龍提供)