大電流保護(hù)方案的研究

【關(guān)鍵詞】SMD；PPTC；熔斷合金；大電流

引言

目前，國內(nèi)手機(jī)廠商和平板電腦廠家陸續(xù)推出大功率充電設(shè)備，傳統(tǒng)的SMD PPTC由于滿足大功率設(shè)備需要大幅增加封裝尺寸，故在大功率設(shè)備上使用較少。

上海維安電子PPTC產(chǎn)品的制作工藝有焊金屬片、焊引線塑料殼封裝等，其中PCB加工工藝制作的體系的封裝規(guī)格有0603、0805、1206、1210、1812、2920等，公司自2019年成功開發(fā)出Coating產(chǎn)品，極大地提升了產(chǎn)品的環(huán)境性能以及多次充放電性能，但是隨著客戶推出的設(shè)備功率越來越大，傳統(tǒng)的Coating產(chǎn)品發(fā)展也已達(dá)到瓶頸，在封裝尺寸未大幅增加的情況，Wayon目前能做到40W充電的PTC需要做到7.0*3.5mm（2512封裝）。在后續(xù)的66W及以上功率的設(shè)備中處于空白領(lǐng)域。

本文對(duì)大電流應(yīng)用的場(chǎng)景中如何采用Wayon的產(chǎn)品進(jìn)行了描述，探討該方案在大電流應(yīng)用的實(shí)際效果[1]。

一、40W產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、尺寸及工藝

（一）40W產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

從圖1和圖2可以看出，目前SMD PPTC產(chǎn)品要做到40W充放電，尺寸需要做到2512封裝（7.0*3.5mm）。

（二） 40W產(chǎn)品芯片面積

表1 40W產(chǎn)品芯片面積

40W項(xiàng)目如果充電電流繼續(xù)上升，如要做50W（10A充放電）或者66W（13A充放電）的保護(hù)器件，根據(jù)發(fā)熱功率=I2*R得出13A保護(hù)器件的發(fā)熱功率=13*13*R，10A保護(hù)器件的發(fā)熱功率約為10*10*R，而8A保護(hù)器件的發(fā)熱功率為8*8*R，得出10A保護(hù)器件的發(fā)熱功率為8A保護(hù)器件的1.56倍，13A保護(hù)器件的發(fā)熱功率為8A保護(hù)器件面積的2.64倍，通過以上得知如需滿足10A或者13A的過流保護(hù)器件的芯片面積以目前的方案來看，PTC在原材料的電阻率無明顯降低的情況下，只能繼續(xù)增加PTC的芯片面積，但是目前的手機(jī)保護(hù)板尺寸無法繼續(xù)增大，導(dǎo)致沒有繼續(xù)增加過流保護(hù)器件封裝尺寸的空間。

（三）大電流保護(hù)元件方案

從目前的情況看，單純使用PTC方案在40W以上的項(xiàng)目難度較大，我們借鑒了合金熔斷電阻可以做到極小的體積滿足大電流的使用，故設(shè)計(jì)了一個(gè)如下圖示的組合保護(hù)元件，先采用常規(guī)的SMD貼片生產(chǎn)工藝，制作一個(gè)常規(guī)的SMD PPTC，但上端焊盤需要同步增大，然后在上端焊盤上焊接一個(gè)熔斷合金，這樣就制作成了一個(gè)大電流通流能力的組合器件，組合器件的示意圖如圖3，組合元件的工作原理如圖4。

表2 保護(hù)組件通流能力統(tǒng)計(jì)

針對(duì)上述保護(hù)組件，我們驗(yàn)證了采用10A的PTC加20A的熔斷合金組合。并對(duì)此進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，主要進(jìn)行了70℃下的Imax測(cè)試和70℃下的13A充放電循環(huán)測(cè)試，測(cè)試如下：

Imax測(cè)試方法：在70℃環(huán)境中，該保護(hù)組件通電20A，保持30min后，每3min上升0.1A，直至PTC發(fā)生Trip，記錄為Imax1，將Trip后的組件繼續(xù)在70℃環(huán)境中，通電8A，保持30min后，每3min上升0.1A，直至PTC 發(fā)生Trip，記錄為Imax2；

表3 70℃條件Imax測(cè)試

從上述的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，熔斷合金+PTC的通流能力應(yīng)該≥30A，實(shí)際測(cè)試通流能力為28A左右，原因?yàn)橥ㄟ^PTC和熔斷合金的電流分流不同，導(dǎo)致通流能力為略低于10+20A。

表4 保護(hù)組件設(shè)計(jì)通流能力

充放電測(cè)試方法：在70℃環(huán)境中，該保護(hù)組件充電20A*10min，休息10min，放電20A*10min，休息10min，為1個(gè)循環(huán)，共測(cè)試1000循環(huán)，模擬客戶的手機(jī)快充；

表5 測(cè)試結(jié)果

從上述測(cè)試結(jié)果看，該保護(hù)組件在10A的PTC和20A的熔斷合金的組合使用下，其最大通流能力達(dá)到28A@70℃，亦可以滿足70℃條件下20A的充放電測(cè)試，相當(dāng)于100W條件使用。

二、該保護(hù)組件應(yīng)用弊端

目前該方案的弊端被客戶正常使用時(shí)，保護(hù)組件可以正常工作，一旦回路中發(fā)生故障電流，熔斷合金燒毀，后續(xù)只能通過PTC保護(hù)方案，保護(hù)組件恢復(fù)到單PTC保護(hù)方案，則組件只能降流使用，我們也已經(jīng)同部分手機(jī)廠商進(jìn)行溝通，如出現(xiàn)上述情況，僅需在程序中設(shè)置一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)程序，如在手機(jī)充電或者放電過程中監(jiān)測(cè)到保護(hù)板溫度大于90℃時(shí)啟動(dòng)降低電流的程序即可實(shí)現(xiàn)，此時(shí)相當(dāng)于只有PTC正常工作，熔斷合金已經(jīng)失效，如下圖5。

該方案同單PTC保護(hù)方案對(duì)比，在相同封裝尺寸的情況下通電流能力有極大提升，可以滿足目前市場(chǎng)上的一些高端旗艦手機(jī)的大電流充電方案，但是一旦熔斷合金因?yàn)榛芈冯娏鳟惓龤Ш螅罄m(xù)只存在單PTC方案保護(hù)，通流能力將下降，但是和常規(guī)的一次性保險(xiǎn)絲方案相比，熔斷合金燒毀后還可以進(jìn)行小功率的充放電，同時(shí)移動(dòng)設(shè)備還可以正常工作。

表6 保護(hù)組件優(yōu)缺點(diǎn)

針對(duì)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，我們結(jié)合手機(jī)廠商的實(shí)際應(yīng)用，可以考慮采用不同規(guī)格的PTC和不同規(guī)格的熔斷合金并聯(lián)，滿足實(shí)際應(yīng)用，例如可以采用10A的PTC和20A的熔斷合金并聯(lián)，生產(chǎn)滿足100W（20A）電池的保護(hù)器件，采用10A的PTC和10A的熔斷合金并聯(lián)，生產(chǎn)滿足66W（13A）的保護(hù)器件，并且該方案結(jié)構(gòu)簡單，不改變手機(jī)電池保護(hù)板焊盤尺寸，即實(shí)際生產(chǎn)過程中客戶的保護(hù)板尺寸也無需更改，且組裝工藝采用傳統(tǒng)的SMT貼板工藝即可。