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日志

锂电池保护板常见PTC器件故障分析改善建议

已有 3833 次阅读2016-5-5 08:47 |个人分类:电源

     PTC作为被动类保护器件,被广泛的应用于锂离子二次电池的二次保护设计中,实际工作中经常遇到遇到该类器件发生焊接方面的不良,从而造成故障。
一,PTC进行一些知识恶补
PTC热敏电阻
  应用原理:将过流保护过压保护型PTC热敏电阻串联在电源回路中,当电路处于正常状态时,流过PTC的电流小于额定电流,PTC处于常态,阻值很小,不会影响电子设备等被保护电路的正常工作。当电路电流大大超过额定电流时,PTC陡然发热,阻值骤增至高阻态,从而限制或阻断电流,保护电路不受损坏。电流电流回复正常后,PTC亦自动回复至低阻态,电路恢复正常工作。同样当外界电压波动时压敏电阻起到过压保护功能,使得流过PTC热敏电阻的电流增加同样可以使PTC陡然发热,阻值骤增至高阻态,从而限制或阻断电流,保护压敏电阻和后面的电路不被破坏,在传统的保险丝线路中,其熔断后无法自行恢复,而PTC热敏电阻器在故障撤除后可恢复其保护功能。
  应用范围: 主要用于智能电表、变压器,电机,开关电源,充电器,适配器,仪器仪表,控制面板,家用电器,空调,微波炉等的过流、过载、短路保护。


热敏电阻分为PTC热敏电阻和NTC热敏电阻,前者是正的温度系数,阻值随着环境温度的升高而升高,后者是负的温度系数,其阻值随着环境温度的升高而下降。
  热敏电阻,随着环境温度的变化而变化的系列产品,在国际元器件大的分类定义中,被划分在了【电阻】这一大类中的【热敏电阻】一类。
  PTC热敏电阻根据其内部其内部材质的不同,通常可分为:陶瓷PTC,简称CPTC,和高分子PTC,简称PPTC。
  PTC热敏电阻----典型的RT(阻值温度)曲线如图所示:
  由于这类PTC具有阻值瞬间跳变的特性,故常用于电气类产品的过流和过温保护。
  PTC又叫可恢复保险丝、自恢复保险丝,自复位过流保护器等。

随着对锂电池容量的要求越来越高,锂电池厂家也在加快新型电池的研发,额定充电电压从传统的4.2V提高到4.35V,目前又出现了4.4V充电电压的锂电池,容量进一步提高。而传统的充电器输出电压为5V,充电控制电路会调节充电电压和电流满足锂电池的充电特性。不同锂电池的化学特性不同,因此充放电性能及安全性能也就不同,有的电池芯适合大电流充放电,而有些电池芯可以耐高电压,所以,采用何种快速充电方式要取决于锂电池芯的具体特性。提高充电器的输出电压可以在恒流阶段提高充电功率,实现快速充电。

下图是锂电池的快速充电的特性曲线:


锂离子电池由于其自身特性,在过充电、过放电、短路等情况下极易发生安全事故,所以除IC+MosFET的一级保护外还应该有被动器件组成的二级保护,以最大限度地保证锂离子电池的安全。

如图是典型的单节锂离子电池保护电路。



下图是锂离子电池过充电测试的一个事例。可以看出充电过程中锂离子电池芯内部温度和电压的变化情况,正常1C充电时,电池芯的温度随恒流充电慢慢升高,而随恒压阶段电流减小慢慢降低,整个过程温度可控,安全。当大电流(2C或以上)时,电池芯内部反应剧烈发生热失控,温度急剧升高而发生起火或爆炸。



二,锂电池保护板常见PTC器件故障分析改善建议:

经常遇到的焊接不良包括:SMT后-锡珠/虚焊/空焊不良


锡珠产生于引脚之间


器件一端翘起或侧面未爬锡,形成立碑/空焊/虚焊不良

根据经验分析,造成上述焊接方面不良的因素通常包括如下几个方面:

1, 人员方面:

a) 印刷工站存在偏移/错位不良,操作人员未实施拦截;
b) 操作人员上钢网时未做是否堵孔检查。
2, 机器设备方面:
a) 印刷精度/贴片精度异常;
b) 回流焊温度异常

3, 方法:

a) 贴装坐标调整异常;
b) 钢网未按规定频率清洗

4, 物料自身方面:

a) 物料有明确温湿度管控要求,未按照操作指示保存;
b) PCM焊盘拒锡,上锡不良;
c) PCB/PAD设计布局未考虑吸热/散热平衡,导致PAD两端存在较大温差;
d) 元件推荐焊盘设计与PCB/PAD LAYOUT不匹配;
e) 元件过回流后发生变形;
f) 元件焊接端子吃锡异常。

排除员工/设备/操作方法的影响,下面着重从物料自身方面进行案例分析:

实例1分析:

a) PCB/PAD尺寸设计布局未考虑吸/散热平衡,导致一侧PAD连接有大面积铜皮,过回焊炉时两端PAD存在较大温差;
b) PCB一侧PAD阻焊油墨下有延伸出额外铜皮,形成台阶,造成器件一段被抬高.





建议产品研发设计人员在设计初期参考器件规格书的推荐设计要求或咨询原厂相关技术窗口直接确认;
        
实例2分析:
研发产品PCB/PAD LAYOUT与元件推荐焊盘设计不匹配;  


研发产品PCB板焊盘设计尺寸           PTC供应商推荐PCB焊盘设计

进一步分析:

研发产品焊盘尺寸总长:3.80mm;而PTC器件长度实际值为3.3~3.4mm,焊接端子长度0.5mm,如果器件摆放正居中,两侧留有各0.2mm的爬锡位置,考虑设备定位误差和产品收缩,以公差+/-0.1mm考量,极端情况下一侧焊盘将只有0.1mm位置供爬锡,这将非常困难,而另一次由于位置空间充足,爬锡容易且快,在表面张力产生的扭转拉力下,由于吊桥效应,势必将器件稍稍拉起向一侧而形成空焊甚至立碑。

改善建议:

建议产品研发设计人员在设计初期参考器件规格书的推荐设计要求或咨询原厂相关技术窗口直接确认;
对于空焊/虚焊的一些补充改善建议:


焊盘设计                       钢网开窗(红色区域)

建议将钢网开口间距加大并适当外扩另一侧尺寸0.2~0.3mm,钢网厚度不得小于0.1mm.

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