手机充电器微短路异常安全保护方案

手机充电器微短路异常安全保护方案
【摘要】本文阐述了在手机充电器遇到微短路情况时的设计方面和元件方面的解决方案。

【关键词】充电器;电源;微短路;熔壳;全短路电阻;半短路电阻
引言
近年来，手机已成为我们生活中不可或缺的一部分，手机数量也呈井喷式增长。

仅就亚洲而言，据《日本经济新闻》中文网报道，现在的亚洲，人手一部手机已经变得越来越普遍。

中国香港以人均2部以上手机，占据亚洲手机普及率的榜首。

截止到2013年12月16日，全球市场手机使用保有量已接近全球人口数，其中22%的全球人口拥有智能手机。

图1 全球智能手机普及率
而随着手机特别是智能手机的兴起，手机电池越做越大，用于其充电的充电器小型化、大功率化趋势逐步加强。

手机充电过程中充电器内部出现的微短路等异常状态，引起充电器失火的安全事故不断发生，市场投诉也逐年递增。

2012年4月9日，河北省衡水市一农户家中发生一起火灾，造成两人死亡，一人受伤，原因为手机充电器爆炸连电，导致冰箱也发生了爆炸，从而引发了火灾。

2012年6月28日，深圳某小区11楼一住户家突然发生大火，房间里的液晶电视、电脑桌、沙发等家具全部在大火中被烧毁，两房一厅的房间里一片狼藉。

起火原因也是因为住户手机充电器数天忘拔下，充电器发热着火，继而引燃了沙发。

……
手机充电器为什么会过热起火呢？其实这些都是因为手机内部元件微短路造成的。

安全事故频发，解决充电器微短路问题业已成为手机充电器生产企业重点解决的技术课题。

一、充电器微短路及其原因分析
微短路也是短路的一种，是充电器中部分元件，如整流桥、电解电容等假击穿或者漏电，从而引起阻值变小，起热增加的一种现象。

其产生的原因主要有以下几个方面：
1.整流桥堆过压或过电流损坏
整流桥一般都有一个耐压值和一个所能承受的峰值电流，当电网中出现电压不稳、过冲或者雷击等外界因素影响的时候，一旦这个值超过整流桥所能承受的最大值，很有可能对其造成不可逆的损伤。

2.电解电容损坏
这个有可能是先天性缺陷，也有可能是后天性缺陷。

所谓先天性缺陷，即在电容生产过程中所造成的本身质量缺陷，如极板之间不洁净，存在杂质或瑕疵。

它会造成电解电容使用过程中漏电流增大，从而产生微短路的情况。

所谓后天性缺陷，指在电源工程设计中存在缺陷或者是使用环境不当产生的缺陷。

电解电容使用过程中最怕过温和过压，如果由于设计上的不当或者是用户在高温高湿环境中使用手机充电器，很可能造成电解电容的损伤，形成微短路情况，造成电容鼓包，漏电流增大，甚至过热起火。

3.锡渣造成线路中出现微短路现象
印刷线路中存在瑕疵（如不洁等）造成微短路现象。

这主要是生产过程中操作不当所引起的质量隐患，同样不容忽视。

二、充电器微短路所造成的安全隐患
如开篇所说，微短路现象存在着极大的安全隐患。

从设计角度来说，在电源初级，大多选用一颗保险电阻来实现充电器的安全保护功能，其作用是在线路中出现短路时（主要是电源部分的整流二极管、滤波电容、PWM控制电路等短路，通过保险电阻25倍以上额定功率对应的电流），保险电阻会立即熔断，从而起到保护线路的作用。

但是如果出现微短路现象，因异常电流（350mA-700mA之间）并未达到保险电阻的熔断电流，保险电阻就不会熔断，这种情况的后果为保险电阻一直在熔断的过程中，持续发热，表面可形成超过600℃的高温，烧毁塑件，融化外壳，从而起火燃烧（充电器本身应该不会起火，而是高温引起周围物品燃烧），造成严重的安全隐患（如图2所示产品例）。

由于早期充电器产品体积较大，所用保险电阻与充电器外壳及其它元件之间安全距离较大，当充电器发生微短路时，发生安全事故的几率并不大。

而随着智能手机的普及，充电器走向小型化，近年来，因普通保险电阻无法起到保护作用形成的安全事故时有发生。

图2 充电器融壳产品图例
三、手机充电过程充电器微短路保护的解决方案
1.在设计上规避
图3所示为标准手机充电器设计原理图，R1位置为充电异常安全保险元件。

图3 标准手机充电器设计原理图
A.使用电流保险丝
由于传统保险电阻存在一定阻值，当有连续电流通过且产生的热量大于消散的热量时，温度就会急剧升高，经多次实验证明，当传统保险电阻后端出现微短路现象，且异常短路电流在350mA-700mA时，保险丝电阻在30分钟内持续发热难以熔断，很容易出现过温熔壳现象。

而电流保险丝却只有很小的阻值，即使通过很大的电流也只会产生很少的热量。

所以在设计时如方案对抗雷击、浪涌等要求不高的情况下可以选用电流保险丝。

目前，10W以上充电器因体积较大，且设计中增加其它元件（NTC热敏电阻及压敏电阻）满足雷击、浪涌的要求，大部分使用电流保险丝实现有效的微短路安全保护。

此设计的不足是成本偏高，且小功率充电器因内部空间不足及有抗雷击、浪涌的要求，难以选用该项设计。

B.对保险电阻性能提出设计要求，选择可满足微短路保护的保险电阻
近年来，部分韩资、台资及大陆优势保险电阻制造企业，积极参与充电器厂家的设计，陆续开发出满足微短路安全保护（异常短路电流在350mA--700mA 内实现熔断）的保险电阻产品，为充电器安全保护设计提供了较好的选择方案。

（1）用全短路保险电阻设计
图4 全短路电阻内部结构图
全短路保险电阻，即完全满足微短路安全保护的保险电阻器（生产商命名为：温度保险型抗雷击浪涌线绕电阻器或OTP保险电阻），为一颗保险电阻和一颗温度保险丝的结合体，其在充电器发生微短路时可以实现彻底的安全保护。

工作原理是：保险电阻因微短路形成表面温度持续升高，当温度升高传递到温度保险丝设计熔断温度时，温度保险丝熔化，从而起到对充电器的安全保护作用，同时，电阻本身可满足充电器的雷击、浪涌设计要求。

图4所示为两种类型的全短路电阻内部结构图。

图5 保险电阻电流温度动作曲线图
全短路电阻的选型较完善的解决了充电器微短路造成的安全隐患，在基本不增加元件体积的情况下，实现了控制元件失效温度的特性，电阻在距离壳面2mm 以上安全距离时，当电阻达到动作温度（一般设定为220度）时，壳面温度低于120度，而手机壳的ABS材质融化温度为150度，可完全确保壳的不融化。

该方案的劣势是保险电阻成本较高（常规保险电阻的10倍价格），可以选择
在10W以上性价比高的充电器上使用。

目前此类全短路产品已经在三星、LG、TCL、魅族等高端手机充电器内设计使用。

（2）选用半短路保险电阻设计
半短路保险电阻是常规普通保险电阻在熔断特性上的改良产品，其改良目标是达到更小的熔断电流，更快的熔断速度，更低的表面熔断温度，最大程度的减小保险电阻熔断发热区间，规避因保险电阻发热导致的外壳熔毁。

目前，市场上把异常短路电流在350mA--700mH内可以熔断的保险电阻统称为半短路保险电阻。

该类产品从2008年起，开始被三星手机充电器设计使用，随着其熔断特性的不断改善（异常电流从700mH逐渐降低到350mH以下）。

近两年，因其良好的性价比（普通保险电阻价格1倍以内），国内主要手机品牌如华为、步步高、小米、联想、中兴等手机7.5W以下充电器设计中已陆续选用具备不同性能（熔断特性、雷击浪涌特性、防爆特性等）的半短路保险电阻。

图6 传统电阻与半短路电阻电流温度动作曲线图对比
以国内著名保险电阻制造厂家安徽昌盛电子股份有限公司半短路保险电阻产品为例，较普通保险电阻其技术性能满足微短路安全保护要求，主要来自两点改善。

一是采用了特殊材质（高温度系数）的合金丝绕制形成要求的电阻值，其主要作用为在出现异常电流时合金丝阻值迅速增大并积累热量;二是采用了新型涂覆保护层，将普通保险电阻的单层有机硅树脂涂层更替为4层涂层，分别为熔断层、保温层、抑温层和阻燃层。

工作中，当遇到微短路（350-700mA小电流）时，合金丝迅速发热，保温层对合金丝散发的温度形成保温隔热，使合金丝温度骤升。

在温度达到120度时熔断层开始作用，加速合金丝熔断，当合金丝温度达到400度以上时，抑温层开始作用，有效降低中部发热最高点合金丝温度，让熔断层更充分反应，并且让整体合金丝温度均衡，最终在控制表面温度的前提下将合金丝熔断。

以上两点确保了该电阻在遇见异常小电流时的动作灵敏度和表面温度控制。

图6、7为保险电阻熔断曲线对比及应用实例。

图7 华为5V-1A充电器机型实施例的模拟微短路时熔断时间温度对应曲线
2.用户使用规避
引起微短路的原因不仅仅是由于设计的缺陷所造成的，如果用户使用不当同样会造成类似事故的发生。

A.高温高湿环境中使用
如果手机充电器在高温高湿环境中使用，充电器中的电解电容很可能会因为过温而失效，从而造成漏电流增大，也就是微短路现象的发生。

同时，这种环境很可能会造成充电器内部凝结水珠，同样会造成这类现象的发生。

B.户外使用
充电器是不允许在户外使用的。

如果充电器在户外使用，特别是在北方，昼夜温差较大，晚上骤降的气温会造成充电器内部水汽凝结，从而造车微短路现象的发生。

C.接触腐蚀性气、液体
如果充电器接触到了这些气体或液体，会损伤充电器内部电子元件，从而造成微短路事故的发生。

以上这些都是在用户使用不当的情况下造成的微短路现象的发生，也是我们所要注意规避的。

因为，减少微短路现象的产生才是最好的安全保护方案。

当今社会，追求利益最大化已成为企业的生存之本，但是，在可控成本的范围之内采取有效措施尽量避免微短路引起安全事故的发生，保护好用户的生命和财产安全，是企业在追求自身利益的同时应尽的社会责任。

参考文献
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