PPTC保護元件把關　手機快速充電設計安全無虞

手機充電器發熱釀災情

隨著可攜式電子產品所用鋰電池的容量越來越大，快速充電越來越被眾多廠商所青睞，某些廠商推出的快速充電手機充電電流可以達到5安培，其他廠商也都紛紛效仿，陸續推出快速充電手機。

隨著輸出功率的提高，充電器的發熱問題也日益嚴重，一些廠商追求低成本，選用劣質元件，不但電能轉換效率低而且缺少電路控制及保護，因此用戶在使用時會出現發熱現象，嚴重的會起火，危及人身及財產安全。

圖1為某充電器在5V/2A充電狀態下的熱成像圖，最高溫度達到64.9度。目前手機充電器的發熱是一個普遍現象，作為充電器生產廠商來說，充電器的發熱問題必須非常重視，特別是充電電流5安培甚至6安培的快速充電器，在產品設計生產過程中更要考慮發熱所引起的安全問題。

圖1 充電器在5V/2A充電狀態下的熱成像圖

目前大多數手機充電器都是採用開關電源，主要由輸入整流、濾波、電壓電流控制、高頻變壓器、輸出整流及濾波和回饋網路等組成(圖2)，其中的高壓電容、開關管和變壓器是主要發熱元件，由於可攜式電子產品追求小型化，散熱性能相對較差，所以降低變壓器等元件的發熱是幾乎不可能的。

圖2 充電器框圖

正視手機充電器安全問題

當手機的快速充電成為趨勢時，要求充電器輸出大電流時發熱更加嚴重，因此充電器內部的電壓電流控制及保護電路或元件至關重要。同時，由於鋰電池的特殊化學特性，對鋰電池的充電必須符合恆流恆壓模式(圖3)。

圖3 鋰電池在過充電與過電流的情況下會發生內部發熱，溫度急遽升高，導致電池膨脹甚至起火爆炸。因此，鋰電池必須按照圖中所示的恆流恆壓方式充電，這就要求充電器的輸出電流電壓必須符合圖中的充電特性曲線，確保鋰電池的安全充電和使用。

充電器控制電路主要由半導體晶片和開關管等主動元件構成，而半導體材料對於靜電、高溫、高濕以及脈衝等因素比較敏感，控制晶片和開關管受到上述因素影響時，容易損壞而失去正常的電壓電流控制功能，不僅會造成充電器本身發熱嚴重甚至起火，而且對手機電池的異常充電會造成過充電，以至於引起電池的起火甚至爆炸。

為保證使用安全，國內外針對充電器產品的安全規範或標準中都規定了這類產品必須能夠在單一故障情況下不會發生安全事故。由於充電器越來越小，這就要求內部元件體積小而且距離很近，電路板上殘留的錫渣或其他雜質都有可能產生內部微短路而造成局部發熱，溫度升高。

或者，由於某個元件失效而導致電流失去控制，也有可能充電器發生外部短路或者由於鋰電池的故障而引起的異常大電流，所以產品的設計必須滿足安規要求，確保產品使用安全(圖4)。

圖4 充電端口外由於汗漬、異物等雜質會造成微短路，導致發熱、溫度急遽升高，從而燒毀充電器和手機，嚴重的還會造成火災等人身財產損失。如果在充電器的輸出端有PPTC等保護元件，感測到電流或者溫度過高則會斷開充電回路，避免意外發生。

針對這一要求，安規認證機構在產品安全測試時都會進行類比單一故障情況下輸出端短路的測試，如在控制晶片功能失效或開關管被短路等故障狀態下，輸出電壓電流可能會失去控制而產生異常大電流。

此時，如果充電器內部有過電流或過熱保護元件，如高分子材料正溫度係數熱敏電阻(PPTC)，又稱可恢復保險絲，就可以有效地提供安全保護。此類PPTC產品是通過美商優力(UL)、德國萊因(TÜV)等機構安全認證的電路保護元件，當溫度過高或電流過大時，PPTC會呈現高阻特性，只有微小電流流過，防止充電器內部和連接埠持續發熱，當溫度降低到正常溫度並且外部短路故障消除後，PPTC便會恢復成正常低電阻狀態，讓充電功能恢復正常。

從圖2的充電器框圖中可以看出，輸入端通常採用一個保險電阻或保險絲，用於防止變壓器或整流元件因為電流失控而發生起火等意外事故，輸出端的PPTC可以對於輸出端短路或內部元件失效而引起的充電電流過大發揮保護作用，既可以防止充電器內部溫度過高而導致意外發生，又能有效地防止由於鋰電池的過充電而引起的起火爆炸等安全事故。

遵守充電器使用守則

對於充電器的使用，應注意以下幾點。第一，盡可能使用原裝充電器，輸出電壓電流與電池特性相匹配，既能保證充電安全，又可以最大限度地使用電池的能量。第二，購買充電器時，要注意品牌和3C認證，經過3C認證的充電器在電氣安全和電磁相容性能上滿足國家強制性標準要求，安全且有保障。第三，不要在高溫環境下充電，比如夏季的車內或其他熱源附近，以免充電器溫度過高發生意外。第四，不要在無人的房間內長時間充電，或者將充電器一直插在電源插座上，既消耗能源，又存在安全隱憂。最後須注意的則是，不要在充電時使用手機，以免發生意外人身傷害。

(本文作者任職於TECP)