骨传导和气传导助听器,都是高灵敏度的带杜比降噪系统的声音放大设备,新一代的骨传导和气传导助听器产品,为了长时续航,基本都设计使用高能量密度的三元锂电池供电驱动,在这种拓扑架构中,三元锂电池容易因外部短路或过载大电流而出现迅速发热或爆炸的情况,因三元锂电池的热失控温度较低(约200℃),所以必须设计专用保护电路。而且其它相关电路也可能出现焊接短路、PCB铜膜线间短路、元件劣化、损坏、击穿短路等问题,都需要设计限流保护电路。
目前大多应用PPTC做上述需要的保护电路,因是单个元件完成其保护功能,避免了传统的多元器件保护模块的大PCB面积、和较大的安装空间而难于设计、布线安装问题。如图所示的PPTC1~PPTC3。
图中PPTC1是针对充电管理电路有短路大电流故障出现时、以及输入端误输入快充高电压产生大电流时,PPTC1会因大电流的发热而由低电阻突变到高电阻,从而限流,既保护该充电管理电路,同时也保护了充电器电源电路;PPTC2与PPTC3都是针对锂电池的保护,同时也保护了包括充放电管理电路的整个电路系统。其中PPTC2主要针对充电管理电路有短路大电流时,及时突变到高阻态,以避免因短路从锂电池抽出大电流而导致锂电池发热爆炸,而PPTC2的限流,在保护锂电池的同时也保护了充电管理电路;PPTC3是针对负载放电管理电路和助听器系统电路的,当助听器电路有短路大电流时,这个大电流是从锂电池经过放电管理电路而取得的,所以这个大电流同时也经过了PPTC3,这时的PPTC3会由正常工作的低电阻跳变到高电阻,能及时限流,以避免长时间大电流使锂电池发热爆炸而产生伤人事件。
这里的PPTC1~PPTC3是电阻值跳变型高正温度系数的自限温热敏电阻,是由高分子基体与导电粒子混合的半导电体,正常工作呈低电阻状态,当过载大电流、或短路大电流经过时,会迅速发热膨胀而拉断大部分导电通路而跳变到高电阻。只有很小部分导电通路继续导电发热使PPTC一直保持高电阻状态,当断电或短路故障消失后,又快速降温收缩而恢复导电通路到初始低电阻状态且继续工作,不需要人工更换,所以叫自恢复保险丝,可反复使用6000次以上,PPTC的失效模式是高组态,即使失效、损坏了也是限流保护状态,所以可靠性高、而且该PPTC保护限流后的温度是无法升高、是稳定的,正常工作也是稳定的,所以稳定性好。
较好的传统保护电路,需要采样、运放、与基准源比较、输出电压放大、驱动电流放大等等单元电路,需要的元器件太多,一致性不好控制,相对可靠性和稳定性会差很大。在本案的助听器的狭小空间很难安装这么多元器件,而且元器件多、安装紧凑又会产生诸多谐波干扰,一旦分布参数失调,可能产生不可预知的灾难后果。
在该案列中推荐应用PPTC完成异常短路的限流保护功能,不仅是由单个元件完成,而且成本低、可靠性高、稳定性好、寿命长、安装空间小,是任何传统元件或电路都无法比拟的,不仅为助听器生产厂家降低了成本、提高了市场竞争优势,还有效避免了繁杂的售后服务、和大大缩短了工程师的设计周期与提高了生产装调效率。