手機充電器微短路異常安全保護方案

摘要：本文闡述了在手機充電器遇到微短路情況時的設計方面和元件方面的解決方案。

關鍵詞：充電器 電源 微短路 熔殼 全短路電阻 半短路電阻

引 言

近年來，手機已成為我們生活中不可或缺的一部分，手機數量也呈井噴式增長。僅就亞洲而言，據《日本經濟新聞》中文網報道，現在的亞洲，人手一部手機已經變得越來越普遍。中國香港以人均2部以上手機，占據亞洲手機普及率的榜首。截止到2013年12月16日，全球市場手機使用保有量已接近全球人口數，其中22%的全球人口擁有智能手機。

而随着手機特别是智能手機的興起，手機電池越做越大，用于其充電的充電器小型化、大功率化趨勢逐步加強。手機充電過程中充電器内部出現的微短路等異常狀态，引起充電器失火的安全事故不斷發生，市場投訴也逐年遞增。

2012年4月9日，河北省衡水市一農戶家中發生一起火災，造成兩人死亡，一人受傷，原因為手機充電器爆炸連電，導緻冰箱也發生了爆炸，從而引發了火災。

2012年6月28日，深圳某小區11樓一住戶家突然發生大火，房間裡的液晶電視、電腦桌、沙發等家具全部在大火中被燒毀，兩房一廳的房間裡一片狼藉。起火原因也是因為住戶手機充電器數天忘拔下，充電器發熱着火，繼而引燃了沙發。

……

手機充電器為什麼會過熱起火呢？其實這些都是因為手機内部元件微短路造成的。

安全事故頻發，解決充電器微短路問題業已成為手機充電器生産企業重點解決的技術課題。

一、充電器微短路及其原因分析

微短路也是短路的一種，是充電器中部分元件，如整流橋、電解電容等假擊穿或者漏電，從而引起阻值變小，起熱增加的一種現象。其産生的原因主要有以下幾個方面：

1）整流橋堆過壓或過電流損壞

整流橋一般都有一個耐壓值和一個所能承受的峰值電流，當電網中出現電壓不穩、過沖或者雷擊等外界因素影響的時候，一旦這個值超過整流橋所能承受的最大值，很有可能對其造成不可逆的損傷。

2）電解電容損壞

這個有可能是先天性缺陷，也有可能是後天性缺陷。

所謂先天性缺陷，即在電容生産過程中所造成的本身質量缺陷，如極闆之間不潔淨，存在雜質或瑕疵。它會造成電解電容使用過程中漏電流增大，從而産生微短路的情況。

所謂後天性缺陷，指在電源工程設計中存在缺陷或者是使用環境不當産生的缺陷。電解電容使用過程中最怕過溫和過壓，如果由于設計上的不當或者是用戶在高溫高濕環境中使用手機充電器，很可能造成電解電容的損傷，形成微短路情況，造成電容鼓包，漏電流增大，甚至過熱起火。

3）錫渣造成線路中出現微短路現象

印刷線路中存在瑕疵（如不潔等）造成微短路現象。這主要是生産過程中操作不當所引起的質量隐患，同樣不容忽視。

二、充電器微短路所造成的安全隐患

如開篇所說，微短路現象存在着極大的安全隐患。從設計角度來說，在電源初級，大多選用一顆保險電阻來實現充電器的安全保護功能，其作用是在線路中出現短路時（主要是電源部分的整流二極管、濾波電容、PWM控制電路等短路，通過保險電阻25倍以上額定功率對應的電流），保險電阻會立即熔斷，從而起到保護線路的作用。但是如果出現微短路現象，因異常電流（350mA-700mA之間）并未達到保險電阻的熔斷電流，保險電阻就不會熔斷，這種情況的後果為保險電阻一直在熔斷的過程中，持續發熱，表面可形成超過600℃的高溫，燒毀塑件，融化外殼，從而起火燃燒（充電器本身應該不會起火，而是高溫引起周圍物品燃燒），造成嚴重的安全隐患（如下圖産品例）。

由于早期充電器産品體積較大，所用保險電阻與充電器外殼及其它元件之間安全距離較大，當充電器發生微短路時，發生安全事故的幾率并不大。而随着智能手機的普及，充電器走向小型化，近年來，因普通保險電阻無法起到保護作用形成的安全事故時有發生。

三、手機充電過程充電器微短路保護的解決方案

1）在設計上規避

下圖為标準手機充電器設計原理圖，R1位置為充電異常安全保險元件。

A、使用電流保險絲

由于傳統保險電阻存在一定阻值，當有連續電流通過且産生的熱量大于消散的熱量時，溫度就會急劇升高，經多次實驗證明，當傳統保險電阻後端出現微短路現象，且異常短路電流在350mA-700mA時，保險絲電阻在30分鐘内持續發熱難以熔斷，很容易出現過溫熔殼現象。而電流保險絲卻隻有很小的阻值，即使通過很大的電流也隻會産生很少的熱量。所以在設計時如方案對抗雷擊、浪湧等要求不高的情況下可以選用電流保險絲。目前，10W以上充電器因體積較大，且設計中增加其它元件（NTC熱敏電阻及壓敏電阻）滿足雷擊、浪湧的要求，大部分使用電流保險絲實現有效的微短路安全保護。此設計的不足是成本偏高，且小功率充電器因内部空間不足及有抗雷擊、浪湧的要求，難以選用該項設計。

B、對保險電阻性能提出設計要求，選擇可滿足微短路保護的保險電阻

近年來，部分韓資、台資及大陸優勢保險電阻制造企業，積極參與充電器廠家的設計，陸續開發出滿足微短路安全保護（異常短路電流在350mA--700mA内實現熔斷）的保險電阻産品，為充電器安全保護設計提供了較好的選擇方案。

⑴選用全短路保險電阻設計

全短路保險電阻，即完全滿足微短路安全保護的保險電阻器（生産商命名為：溫度保險型抗雷擊浪湧線繞電阻器或OTP保險電阻)，為一顆保險電阻和一顆溫度保險絲的結合體，其在充電器發生微短路時可以實現徹底的安全保護。工作原理是：保險電阻因微短路形成表面溫度持續升高，當溫度升高傳遞到溫度保險絲設計熔斷溫度時，溫度保險絲熔化，從而起到對充電器的安全保護作用，同時，電阻本身可滿足充電器的雷擊、浪湧設計要求。下圖為兩種類型的全短路電阻内部結構圖：

全短路電阻的選型較完善的解決了充電器微短路造成的安全隐患，在基本不增加元件體積的情況下，實現了控制元件失效溫度的特性，電阻在距離殼面2mm以上安全距離時，當電阻達到動作溫度（一般設定為220度）時，殼面溫度低于120度，而手機殼的ABS材質融化溫度為150度，可完全确保殼的不融化。

該方案的劣勢是保險電阻成本較高（常規保險電阻的10倍價格），可以選擇在10W以上性價比高的充電器上使用。目前此類全短路産品已經在三星、LG、TCL、魅族等高端手機充電器内設計使用。

⑵選用半短路保險電阻設計

半短路保險電阻是常規普通保險電阻在熔斷特性上的改良産品，其改良目标是達到更小的熔斷電流，更快的熔斷速度，更低的表面熔斷溫度，最大程度的減小保險電阻熔斷發熱區間，規避因保險電阻發熱導緻的外殼熔毀。目前，市場上把異常短路電流在350mA--700mH内可以熔斷的保險電阻統稱為半短路保險電阻。該類産品從2008年起，開始被三星手機充電器設計使用，随着其熔斷特性的不斷改善（異常電流從700mH逐漸降低到350mH以下），近兩年，因其良好的性價比（普通保險電阻價格1倍以内），國内主要手機品牌如華為、步步高、小米、聯想、中興等手機7.5W以下充電器設計中已陸續選用具備不同性能（熔斷特性、雷擊浪湧特性、防爆特性等）的半短路保險電阻。

以國内著名保險電阻制造廠家安徽昌盛電子股份有限公司半短路保險電阻産品為例，較普通保險電阻其技術性能滿足微短路安全保護要求，主要來自兩點改善。一是采用了特殊材質（高溫度系數）的合金絲繞制形成要求的電阻值，其主要作用為在出現異常電流時合金絲阻值迅速增大并積累熱量；二是采用了新型塗覆保護層，将普通保險電阻的單層有機矽樹脂塗層更替為4層塗層，分别為熔斷層、保溫層、抑溫層和阻燃層。工作中，當遇到微短路（350-700mA小電流）時，合金絲迅速發熱，保溫層對合金絲散發的溫度形成保溫隔熱，使合金絲溫度驟升。在溫度達到120度時熔斷層開始作用，加速合金絲熔斷，當合金絲溫度達到400度以上時，抑溫層開始作用，有效降低中部發熱最高點合金絲溫度，讓熔斷層更充分反應，并且讓整體合金絲溫度均衡，最終在控制表面溫度的前提下将合金絲熔斷。以上兩點确保了該電阻在遇見異常小電流時的動作靈敏度和表面溫度控制。

以下為保險電阻熔斷曲線對比及應用實例：

2）用戶使用規避

引起微短路的原因不僅僅是由于設計的缺陷所造成的，如果用戶使用不當同樣會造成類似事故的發生。

A、高溫高濕環境中使用

如果手機充電器在高溫高濕環境中使用，充電器中的電解電容很可能會因為過溫而失效，從而造成漏電流增大，也就是微短路現象的發生。同時，這種環境很可能會造成充電器内部凝結水珠，同樣會造成這類現象的發生。

B、戶外使用

充電器是不允許在戶外使用的。如果充電器在戶外使用，特别是在北方，晝夜溫差較大，晚上驟降的氣溫會造成充電器内部水汽凝結，從而造成微短路現象的發生。

C、接觸腐蝕性氣、液體

如果充電器接觸到了這些氣體或液體，會損傷充電器内部電子元件，從而造成微短路事故的發生。

以上這些都是在用戶使用不當的情況下造成的微短路現象的發生，也是我們所要注意規避的。因為，減少微短路現象的産生才是最好的安全保護方案。

當今社會，追求利益最大化已成為企業的生存之本，但是，在可控成本的範圍之内采取有效措施盡量避免微短路引起安全事故的發生，保護好用戶的生命和财産安全，是企業在追求自身利益的同時應盡的社會責任。

參考文獻：

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7）Q/ATK034-2001電子元器件詳細規範功率型固定電阻器
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8）Q/ATK 035-2013 電子元器件詳細規範 功率型固定電阻器
RXF21-T型溫度保險抗雷擊浪湧線繞電阻器 評定水平 E

作者：

陳林(安徽昌盛電子股份有限公司)

陳志祥(中興通訊股份有限公司）

彭力、崔紅霞（華為終端有限公司）

王鐵甲(崧順電子（深圳）有限公司）