淺析手機(jī)充電器的安全問題

     近年來各種便攜式電子產(chǎn)品如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、音樂
播放器、平板電腦、超級(jí)本及筆記本電腦幾乎人手必備， 安全問題也隨之而來，除了大家常聽到的電池起火爆炸事故 外，充電器發(fā)燙以至于起火等事故也時(shí)有發(fā)生。為了確保產(chǎn) 品使用安全，各國家和地區(qū)都出臺(tái)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范市 場，比如：IEC60950和國標(biāo)GB4943-2011中都規(guī)定了受限制 功率電源的安全要求（簡稱LPS），在短路或其它異常大電 流情況下，保護(hù)器件必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使電流降低到8安培 以下防止溫度過高造成起火等意外發(fā)生。一些大品牌的廠家 也都在充電器設(shè)計(jì)中加入了相應(yīng)的保護(hù)器件或電路滿足安規(guī)要求。

圖1   某充電器右5V 12A充電狀態(tài)玉的熱成像圖

圖2   鋰電池充電器框圖
    隨著便攜式電子產(chǎn)品所用鋰電池的容量越來越大，快速充電越來越被眾多廠家所青睞，國內(nèi)某廠家推出的快速充 電手機(jī)充電電流可以達(dá)到5安培，其它廠家也都紛紛效仿， 陸續(xù)推出快速充電手機(jī)。隨著輸出功率的提高，充電器的發(fā) 熱問題也日益嚴(yán)重。一些廠家追求低成本，選用劣質(zhì)元器 件，不但電能轉(zhuǎn)換效率低而且缺少電路控制及保護(hù)，導(dǎo)致用 戶使用時(shí)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)起火，危及人身及財(cái)產(chǎn)安 全。
圖1為某充電器在5V/2A充電狀態(tài)下的熱成像圖，最高溫度達(dá)到64.9℃，目前手機(jī)充電器發(fā)熱是一個(gè)普遍現(xiàn)象，對(duì)
于充電器生產(chǎn)廠家來說，充電器發(fā)熱問題必須要引起重視， 特別是充電電流5安培甚至6安培的快速充電器，在產(chǎn)品設(shè)計(jì) 生產(chǎn)過程中更要考慮發(fā)熱所引起的安全問題。
下面簡要地分析一下手機(jī)充電器的安全方面的問題。
目前大多數(shù)手機(jī)充電器都采用開關(guān)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 和反饋網(wǎng)絡(luò)等組成，其中，高壓電容、開關(guān)管和變壓器是主 要發(fā)熱元件，由于便攜式電子產(chǎn)品追求小型化，散熱性能相 對(duì)較差，所以降低變壓器等元件的發(fā)熱是幾乎不可能的，當(dāng) 手機(jī)的快速充電成為趨勢，充電器輸出大電流時(shí)發(fā)熱更加嚴(yán)重，因此，充電器內(nèi)部的電壓電流控制及保護(hù)電路或元件至
關(guān)重要，同時(shí)，由于鋰電池的特殊化學(xué)特性，對(duì)鋰電池充電 必須符合恒流恒壓模式，如圖3所示。
充電器控制電路主要由半導(dǎo)體芯片和開關(guān)管等主動(dòng)元 件構(gòu)成，而半導(dǎo)體材料對(duì)于靜電、高溫、高濕以及脈沖等因 素比較敏感，控制芯片和開關(guān)管受到上述因素影響時(shí)容易損 壞而失去正常的電壓電流控制功能，不僅會(huì)造成充電器本身 發(fā)熱嚴(yán)重甚至起火，而且對(duì)手機(jī)電池的異常充電會(huì)造成過充 電以至于引起電池的起火甚至爆炸。

圖3    鋰電池的充電電流與電壓的曲線圖

圖4 充電端口處由于汗?jié)n、異物等雜質(zhì)會(huì) 造成微短路，導(dǎo)致發(fā)熱，溫度急劇升高，從 而燒毀充電器和手機(jī)，嚴(yán)重的還會(huì)造成火災(zāi) 等人身財(cái)產(chǎn)損失。如果在充電器的輸出端有 PTC等保護(hù)元件，感測到電流或者溫度過高 則會(huì)斷開充電回路，避免意外發(fā)生。

     為保證使用安全，國內(nèi)外針對(duì)充電器產(chǎn)品的安全規(guī)范 或標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了這類產(chǎn)品必須能夠在單一故障情況下不會(huì) 發(fā)生安全事故。由于充電器越來越小，導(dǎo)致內(nèi)部元器件體積 小而且距離很近，電路板上殘留的錫渣或其它雜質(zhì)都有可能產(chǎn)生內(nèi)部微短路而造成局部發(fā)熱，溫度升高?；蛘哂捎谀硞€(gè)元件失效而導(dǎo)致電流失去控制，也有可能充電器發(fā)生外部短 路，或者由于鋰電池的故障而引起異常大電流，所以產(chǎn)品的 設(shè)計(jì)必須滿足安規(guī)要求，確保產(chǎn)品使用安全。
     針對(duì)這一要求，安規(guī)認(rèn)證機(jī)構(gòu)在產(chǎn)品安全測試時(shí)都會(huì) 進(jìn)行模擬單一故障情況下輸出端短路的測試，例如，在控 制芯片功能失效或者開關(guān)管被短路等故障狀態(tài)下，輸出電壓 電流可能會(huì)失去控制而產(chǎn)生異常大電流，此時(shí)，如果充電器 內(nèi)部有過電流或過熱保護(hù)元件，如TE 的PPTC (高分子材料 的正溫度系數(shù)熱敏電阻)，就可以有效地提供安全保護(hù)，TE 的PPTC 產(chǎn)品是通過UL、TUV等機(jī)構(gòu)安全認(rèn)證的電路保護(hù)元 件，當(dāng)溫度過高或電流過大時(shí)，PPTC會(huì)呈現(xiàn)高阻特性，只 有微小電流流過，防止充電器內(nèi)部和端口的持續(xù)發(fā)熱，當(dāng)溫 度降低到正常溫度并且外部短路故障消除后，PPTC會(huì)恢復(fù) 成正常低電阻狀態(tài)，充電功能恢復(fù)正常。
從圖2中可以看出，輸入端通常采用一個(gè)保險(xiǎn)電阻或保險(xiǎn)絲用于防止變 壓
器或整流元件由于電流失控而發(fā)生起火等意外事故，輸出端的P P TC(可恢復(fù)保險(xiǎn)絲)可以對(duì)于輸出端短路或內(nèi)部元件失效而引起的充電電流過大起到保護(hù)作用，既 可以防止充電器內(nèi)部溫度過高而導(dǎo)致意外發(fā)生，又可以有效地防止由于鋰電池的過充電而引起的起火 爆炸等安全事故。
對(duì)于充電器的使用，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1. 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。
2. 購買充電器時(shí)，要注意品牌和3C認(rèn)證，經(jīng)過3C認(rèn)證 的充電器在電氣安全和電磁兼容性能上滿足國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn) 要求，安全有保障。
3. 不要在高溫環(huán)境下充電，比如夏季的車內(nèi)或其它熱 源附近，以免充電器溫度過高發(fā)生意外。
4. 不要在無人的房間內(nèi)長時(shí)間充電或者將充電器一直 插在電源插座上，即消耗能源，又存在安全隱患。
5. 不要在充電時(shí)使用手機(jī)，以免發(fā)生意外人身傷害。
為現(xiàn)場設(shè)備提供了一種方便的升級(jí)方法，獲得最新的性能提升。DA14580同時(shí)運(yùn)行應(yīng)用和藍(lán)牙棧，并且只使用一枚CR2032電池供電。為節(jié)省 物料，標(biāo)簽的核心系統(tǒng)只需要五個(gè)無源器件：不需要32kHz XTAL。
該參考設(shè)計(jì)在活躍（active）模式下的峰值電流消耗為
5mA，在待機(jī)模式下的電流消耗低于600nA，具有典型近接 標(biāo)簽的外形，并附帶電路原理圖、布線信息、用戶手冊、測 試報(bào)告、源代碼和SmartTags應(yīng)用源代碼。
   結(jié)束語
藍(lán)牙智能由于超低功特性和合作生態(tài)系統(tǒng)的支持而衍 生出種類繁多的應(yīng)用。但由于應(yīng)用的快速涌現(xiàn)，設(shè)計(jì)工程師 需要加快工作速度，因此優(yōu)秀的參考設(shè)計(jì)對(duì)抓住市場時(shí)機(jī)至 關(guān)重要。接近標(biāo)簽應(yīng)用就是一個(gè)典范，許多公司都在爭相吸 引市場的關(guān)注，但在功耗和連接可靠性這些差異化因素的作 用下，很多公司將會(huì)在競爭中落后。