手机电池中的PTC和NTC

本文介绍了正温度系数热敏电阻（PTC）和负温度系数热敏电阻（NTC）的工作原理，说明了它们在手机电池中所起的不同作用，并对其应用作了简要说明。
关键词： 正温度系数热敏电阻(PTC)；负温度系数热敏电阻（NTC） 温度特性  过流保护
随着移动通讯业在国内的迅猛发展，国内的手机消费者越来越多，由于手机是靠电池供电的产品，在电池内部通常都会带有一个PTC和NTC，很多人不明白它们在电池中所起的作用，本文对此作一阐述。
在手机电池内部的PTC和NTC都是属于热敏电阻器，热敏电阻器按其阻抗与温度特性分为正温度系数（PTC）热敏电阻器和负温度系数（NTC）热敏电阻器。PTC是Positive Temperature Coefficient的英文首字缩写，其含义为正温度系数，NTC是Negative Temperature Coefficient 的英文首字缩写，其含义为负温度系数，通常为方便起见，常将这两种电阻简称为PTC和NTC。
一、手机电池内的PTC热敏电阻介绍
通常意义上的PTC是指一种以钛酸钡为主要成分的高技术半导体功能陶瓷材料，具有电阻值随着温度变化而变化的特性，特别是在居里温度点附近电阻值跃升有3——7个数量级。此种PTC利用其最基本的电阻温度特性及电压——电流特性与电流——时间特性，已广泛应用于工业电子设备，汽车及家用电器等产品中，以达到自动消磁、过热过流保护，马达启动，恒温加热，温度补偿、延时等作用。
电池内的PTC与上述PTC并不相同，通常被称之为“自恢复保险丝”，英文名称为“Polyswitch”，其含义为高分子聚合物开关，它是近几年出现的新型正温度系数过流过温保护元件，它的特点是当温度达到某定值时，其电阻值会显著增加，呈高阻状态，相当于断开回路，而当使温度降低后，它便自动复位导通，恢复至低阻状态，并且这种断开-自动恢复过程可重复数千次，目前主要用于小功率电子设备的短路及过载保护。
　自恢复保险丝主要以经过特殊处理的聚合树酯(Polymer)为基础，掺入导体（如碳元素）而构成。在正常情况下，聚合树酯将导体微粒紧密束缚于结晶状的结构内，构成一种低阻抗(几毫欧至几十毫欧)炼键，线路上流经自恢复保险丝的电流所产生的热量很小，不会改变聚合树酯的晶状结构，从而电路保持低阻导通。然而，当电流急剧增加时，自复保险丝的温度也会在很短时间内迅速上升，过高的温度会使聚合树酯由结晶状变成胶状，这时被束缚在聚合树酯上的导体便会分离，阻抗迅速提高，使回路的电流迅速变小，达到保护目的，在回路电流变小后，若导致过流的故障并未排除，回路中仍会保持一定的电流值，该电流会使PTC保持在发热状态，并维持高阻态，待过流故障排除后，温度下降，导体炼键又重新建立，PTC会自动恢复成低阻抗导体。
自恢复保险丝的保护动作时间是衡量它好坏的一个重要参数，该参数与其内阻、环境温度和动作前所流过的电流大小有关，环境温度越高，内阻或电流越大，其温度上升越快，因此其保护动作越快。
由于自恢复保险丝是串联在电源电路中使用，在流过电流时，需要消耗一定的电能，因此它的内阻也是一个重要参数，从耗能与对外供电能力上看，其内阻越小越好，但内阻小会使过流保护时的反应速度变慢，并会使保护后维持其发热的电流较大，因此在实际使用中，应按具体的应用情况来选择合适规格的PTC。
    由于自恢复保险丝的以上特性，在手机电池中被广泛应用于过流和短路保护，使电池的安全性得以提高。
　　自恢复保险丝的型号、规格很多，仅美国瑞侃公司生产的就有十多个系列，每一系列又有十几个规格。国内也有不少厂家生产此类PTC，如维安、中基、亚光、武进等等，某些品牌的质量也相当不错。
二、手机电池中的NTC热敏电阻介绍
对于许多从事电子行业的人来说，对NTC热敏电阻并不陌生，它是一种以过渡金属氧化物为主要原材料，采用电子陶瓷工艺制成的热敏半导体陶瓷元件，它的电阻值随温度升高而降低，利用这一特性可制成测温、温度补偿和控温元件，又可以制成功率型元件，抑制电路的浪涌电流。它的价格低廉，在电子产品中被广泛应用，而且具有多种封装型式，能够很方便地应用到各种电路中。
电池中的NTC大多数为贴片封装，其大小从0402到0805都有，它在电池中主要起温度监测的作用，在电池的充、放电过程中，手机根据其阻值大小来判断电池温度，而后作相应控制，如停止充电或涓流充电等。
NTC根据材料、工艺等不同情况，有不同的阻值和温度变化特性，其阻值随温度的变化曲线是非线性的，其特性符合以下公式：

式中的R25是热敏电阻在25℃室温下的阻值，B是热敏电阻材料的开尔文(Kelvins)常数，T是热敏电阻的实际摄氏温度。
对常温下同样阻值的热敏电阻，由于其B值的不同，其电阻-温度特性曲线将有很大的差异，下图为阻值相同而B值不同的NTC热敏电阻的温度特性曲线。

从上图可以看出，即使常温下相同阻值的热敏电阻，由于B值的不同，无论在高温还是低温中，其阻抗变化均不一样，因此在使用中，根据实际情况不仅要选用适当阻值的NTC，同时还要考虑选用适当B值的NTC。在热敏电阻厂家提供的型号规格中，除了阻值、B值与封装外，还包括阻值误差精度和B值误差精度，在精密测量中，此点尤为要注意。
NTC的型号、规格也很多，国外的知名厂家有日本三菱、日本TDK、日本立山、韩国的EXPAND等等，国内也有不少厂家，某些品牌的质量也相当不错。
三、PTC和NTC在手机电池中的应用实例
下图为某品牌诺基亚3310手机电池的典型电路图，该电路组装在一个小电路板上，放置于电池内部，图中的FA1为自恢复保险丝，其型号为美国瑞侃公司的VTP210S，它装配在电池的侧面，串联在电芯的正极与输出正极之间，起温度保护与过流保护的作用。
图中的RT为热敏电阻，为贴片封装，装配在电池前端的电路板上，其阻值为10k，B值为4000K。在电路中起温度检测的作用，手机通过它来判断电池温度。图中的R3为ID电阻，手机用其判断电池类型，在3310手机电池中，ID电阻为75k的是锂离子电池，ID电阻为5k6的是镍氢电池，锂离子电池与镍氢电池所用的热敏电阻一样。
需要说明的另外一点是，在锂离子电池中的PTC是起第二重保护作用，假设在电池被短路情况下，由于保护电路的反应速度（微秒极，典型值为5微秒）远快于PTC的反应速度，因此最先起保护作用的是保护电路，在保护电路失效后，PTC才起作用。但由于在镍氢电池中无需保护电路，因此只靠PTC起保护作用。
图中虚框内为锂离子电池保护电路，该保护回路由两个MOSFET（V1、V2）和一个控制IC（N1）外加一些阻容元件构成。控制IC的VDD与V-分别负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，C3为延时电容，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其具体工作原理因与本文无关，不再赘述。