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浅析手机充电器的安全问题

文章出处:捷配电子市场网 发布时间: 2017/02/20 | 848 次阅读

  近年来各种便携式电子产品如手机、数码相机、音乐
  播放器、平板电脑、超级本及笔记本电脑几乎人手必备, 安全问题也随之而来,除了大家常听到的电池起火爆炸事故 外,充电器发烫以至于起火等事故也时有发生。为了确保产 品使用安全,各国家和地区都出台了相应的标准来规范市 场,比如:IEC60950和国标GB4943-2011中都规定了受限制 功率电源的安全要求(简称LPS),在短路或其它异常大电 流情况下,保护器件必须在规定时间内使电流降低到8安培 以下防止温度过高造成起火等意外发生。一些大品牌的厂家 也都在充电器设计中加入了相应的保护器件或电路满足安规要求。
 

  图1   某充电器右5V 12A充电状态玉的热成像图


    图2   锂电池充电器框图


  随着便携式电子产品所用锂电池的容量越来越大,快速充电越来越被众多厂家所青睐,国内某厂家推出的快速充 电手机充电电流可以达到5安培,其它厂家也都纷纷效仿, 陆续推出快速充电手机。随着输出功率的提高,充电器的发 热问题也日益严重。一些厂家追求低成本,选用劣质元器 件,不但电能转换效率低而且缺少电路控制及保护,导致用 户使用时出现发热现象,严重的会起火,危及人身及财产安 全。
  图1为某充电器在5V/2A充电状态下的热成像图,最高温度达到64.9℃,目前手机充电器发热是一个普遍现象,对
  于充电器生产厂家来说,充电器发热问题必须要引起重视, 特别是充电电流5安培甚至6安培的快速充电器,在产品设计 生产过程中更要考虑发热所引起的安全问题。
  下面简要地分析一下手机充电器的安全方面的问题。
  目前大多数手机充电器都采用开关电源,主要由输入 整流、滤波、电压电流控制、高频变压器、输出整流及滤波 和反馈网络等组成,其中,高压电容、开关管和变压器是主 要发热元件,由于便携式电子产品追求小型化,散热性能相 对较差,所以降低变压器等元件的发热是几乎不可能的,当 手机的快速充电成为趋势,充电器输出大电流时发热更加严重,因此,充电器内部的电压电流控制及保护电路或元件至
  关重要,同时,由于锂电池的特殊化学特性,对锂电池充电 必须符合恒流恒压模式,如图3所示。
  充电器控制电路主要由半导体芯片和开关管等主动元 件构成,而半导体材料对于静电、高温、高湿以及脉冲等因 素比较敏感,控制芯片和开关管受到上述因素影响时容易损 坏而失去正常的电压电流控制功能,不仅会造成充电器本身 发热严重甚至起火,而且对手机电池的异常充电会造成过充 电以至于引起电池的起火甚至爆炸。
 

  图3    锂电池的充电电流与电压的曲线图

 

  图4 充电端口处由于汗渍、异物等杂质会 造成微短路,导致发热,温度急剧升高,从 而烧毁充电器和手机,严重的还会造成火灾 等人身财产损失。如果在充电器的输出端有 PTC等保护元件,感测到电流或者温度过高 则会断开充电回路,避免意外发生。
  为保证使用安全,国内外针对充电器产品的安全规范 或标准中都规定了这类产品必须能够在单一故障情况下不会 发生安全事故。由于充电器越来越小,导致内部元器件体积 小而且距离很近,电路板上残留的锡渣或其它杂质都有可能产生内部微短路而造成局部发热,温度升高。或者由于某个元件失效而导致电流失去控制,也有可能充电器发生外部短 路,或者由于锂电池的故障而引起异常大电流,所以产品的 设计必须满足安规要求,确保产品使用安全。
  针对这一要求,安规认证机构在产品安全测试时都会 进行模拟单一故障情况下输出端短路的测试,例如,在控 制芯片功能失效或者开关管被短路等故障状态下,输出电压 电流可能会失去控制而产生异常大电流,此时,如果充电器 内部有过电流或过热保护元件,如TE 的PPTC (高分子材料 的正温度系数热敏电阻),就可以有效地提供安全保护,TE 的PPTC 产品是通过UL、TUV等机构安全认证的电路保护元 件,当温度过高或电流过大时,PPTC会呈现高阻特性,只 有微小电流流过,防止充电器内部和端口的持续发热,当温 度降低到正常温度并且外部短路故障消除后,PPTC会恢复 成正常低电阻状态,充电功能恢复正常。
  从图2中可以看出,输入端通常采用一个保险电阻或保险丝用于防止变 压
  器或整流元件由于电流失控而发生起火等意外事故,输出端的P P TC(可恢复保险丝)可以对于输出端短路或内部元件失效而引起的充电电流过大起到保护作用,既 可以防止充电器内部温度过高而导致意外发生,又可以有效地防止由于锂电池的过充电而引起的起火 爆炸等安全事故。
  对于充电器的使用,应注意以下几点:
  1. 尽可能使用原装充电器,输出电压电流与电池特性 相匹配,既能保证充电安全,又可以最大限度地使用电池的 能量。
  2. 购买充电器时,要注意品牌和3C认证,经过3C认证 的充电器在电气安全和电磁兼容性能上满足国家强制性标准 要求,安全有保障。
  3. 不要在高温环境下充电,比如夏季的车内或其它热 源附近,以免充电器温度过高发生意外。
  4. 不要在无人的房间内长时间充电或者将充电器一直 插在电源插座上,即消耗能源,又存在安全隐患。
  5. 不要在充电时使用手机,以免发生意外人身伤害。
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