大電流保護方案的研究

【關鍵詞】SMD；PPTC；熔斷合金；大電流

引言

目前，國內手機廠商和平板電腦廠家陸續推出大功率充電設備，傳統的SMD PPTC由于滿足大功率設備需要大幅增加封裝尺寸，故在大功率設備上使用較少。

上海維安電子PPTC產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格有0603、0805、1206、1210、1812、2920等，公司自2019年成功開發出Coating產品，極大地提升了產品的環境性能以及多次充放電性能，但是隨著客戶推出的設備功率越來越大，傳統的Coating產品發展也已達到瓶頸，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）。在后續的66W及以上功率的設備中處于空白領域。

本文對大電流應用的場景中如何采用Wayon的產品進行了描述，探討該方案在大電流應用的實際效果[1]。

一、40W產品的結構、尺寸及工藝

（一）40W產品結構

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

（二） 40W產品芯片面積

表1 40W產品芯片面積

40W項目如果充電電流繼續上升，如要做50W（10A充放電）或者66W（13A充放電）的保護器件，根據發熱功率=I2*R得出13A保護器件的發熱功率=13*13*R，10A保護器件的發熱功率約為10*10*R，而8A保護器件的發熱功率為8*8*R，得出10A保護器件的發熱功率為8A保護器件的1.56倍，13A保護器件的發熱功率為8A保護器件面積的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，只能繼續增加PTC的芯片面積，但是目前的手機保護板尺寸無法繼續增大，導致沒有繼續增加過流保護器件封裝尺寸的空間。

（三）大電流保護元件方案

從目前的情況看，單純使用PTC方案在40W以上的項目難度較大，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，故設計了一個如下圖示的組合保護元件，先采用常規的SMD貼片生產工藝，制作一個常規的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熔斷合金，這樣就制作成了一個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 保護組件通流能力統計

針對上述保護組件，我們驗證了采用10A的PTC加20A的熔斷合金組合。并對此進行了測試驗證，主要進行了70℃下的Imax測試和70℃下的13A充放電循環測試，測試如下：

Imax測試方法：在70℃環境中，該保護組件通電20A，保持30min后，每3min上升0.1A，直至PTC發生Trip，記錄為Imax1，將Trip后的組件繼續在70℃環境中，通電8A，保持30min后，每3min上升0.1A，直至PTC 發生Trip，記錄為Imax2；

表3 70℃條件Imax測試

從上述的測試數據可以看出，熔斷合金+PTC的通流能力應該≥30A，實際測試通流能力為28A左右，原因為通過PTC和熔斷合金的電流分流不同，導致通流能力為略低于10+20A。

表4 保護組件設計通流能力

充放電測試方法：在70℃環境中，該保護組件充電20A*10min，休息10min，放電20A*10min，休息10min，為1個循環，共測試1000循環，模擬客戶的手機快充；

表5 測試結果

從上述測試結果看，該保護組件在10A的PTC和20A的熔斷合金的組合使用下，其最大通流能力達到28A@70℃，亦可以滿足70℃條件下20A的充放電測試，相當于100W條件使用。

二、該保護組件應用弊端

目前該方案的弊端被客戶正常使用時，保護組件可以正常工作，一旦回路中發生故障電流，熔斷合金燒毀，后續只能通過PTC保護方案，保護組件恢復到單PTC保護方案，則組件只能降流使用，我們也已經同部分手機廠商進行溝通，如出現上述情況，僅需在程序中設置一個溫度監測程序，如在手機充電或者放電過程中監測到保護板溫度大于90℃時啟動降低電流的程序即可實現，此時相當于只有PTC正常工作，熔斷合金已經失效，如下圖5。

該方案同單PTC保護方案對比，在相同封裝尺寸的情況下通電流能力有極大提升，可以滿足目前市場上的一些高端旗艦手機的大電流充電方案，但是一旦熔斷合金因為回路電流異常燒毀后，后續只存在單PTC方案保護，通流能力將下降，但是和常規的一次性保險絲方案相比，熔斷合金燒毀后還可以進行小功率的充放電，同時移動設備還可以正常工作。

表6 保護組件優缺點

針對上述測試數據，我們結合手機廠商的實際應用，可以考慮采用不同規格的PTC和不同規格的熔斷合金并聯，滿足實際應用，例如可以采用10A的PTC和20A的熔斷合金并聯，生產滿足100W（20A）電池的保護器件，采用10A的PTC和10A的熔斷合金并聯，生產滿足66W（13A）的保護器件，并且該方案結構簡單，不改變手機電池保護板焊盤尺寸，即實際生產過程中客戶的保護板尺寸也無需更改，且組裝工藝采用傳統的SMT貼板工藝即可。