Sekundärschutz für schnellladefähige Smartphones

Schnellladefähige Smartphones und Lithium-Ionen-Akkus

Die Leistung von Smartphones verbessert sich jährlich, was zu einer Erhöhung der Kapazität der in diesen Geräten verbauten Lithium-Ionen-Akkus führt. Mit zunehmender Akkukapazität verlängert sich auch die Ladezeit. Daher bieten einige Unternehmen mittlerweile Smartphones an, die sich durch höhere Stromstärken schneller aufladen lassen.

Smartphones, die vor 5 bis 6 Jahren entwickelt wurden, brauchten in der Regel 3 bis 4 Stunden, um vollständig aufgeladen zu werden, aber einige der neuesten Schnelllade-Smartphones können in etwa 30 Minuten vollständig aufgeladen werden. Eine neue Technologie für den Sekundärschutz von Lithium-Ionen-Batterien, die in Smartphones verwendet werden, ist erforderlich, um mit Batterien mit hoher Kapazität und Schnellladung fertig zu werden.

Sicherungssysteme für den Sekundärschutz: SCP (Self Control Protector) und FET (Field Effect Transistor)

Eine häufig verwendete Lösung zum Schutz von Lithium-Ionen-Akkus in herkömmlichen Smartphones besteht darin, eine duale Schutzschaltung zu entwickeln, die einen Schutz-IC und einen Feldeffekttransistor (FET) kombiniert. Der FET ist mit einem IC verbunden, der Spannung erkennt. Wenn der IC eine Spannung erkennt, die den Standardwert überschreitet, wird der Strom, der zum Lade-/Entladekreis fließt, unterbrochen. Bei der in der Abbildung unten links gezeigten Schaltung sind die Spannungsschwellen leicht verschoben, z. B. 4,4 V für FET-1 im Primärschutz und 4,5 V für FET-2 im Sekundärschutz. Dies ermöglicht einen doppelten Schutz.

Die duale FET-Methode ist bei großen Smartphone-Herstellern weit verbreitet. Die in herkömmlichen dualen Schutzsystemen verwendeten FETs haben jedoch einen Widerstandswert von ca. 2mΩ. Eine Möglichkeit, den Widerstandswert deutlich zu reduzieren, besteht darin, die Batterien größer zu machen. Je niedriger der Widerstandswert, desto geringer der Energieverlust. Umgekehrt bedeutet ein höherer Widerstandswert mehr Wärmeentwicklung (heißer), und daher ist ein niedrigerer Widerstand am besten geeignet, um die Wärmeerzeugung zu unterdrücken.

Als Schutzmaßnahme können zwei FETs verwendet werden. Da sie jedoch gleich funktionieren, besteht die Möglichkeit, dass beide FETs bei einem Vorfall, der ihre Leistungsfähigkeit übersteigt, nicht funktionieren. Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Batterie zu gewährleisten, sollten die primären und sekundären Schutzschaltungen mit unterschiedlichen Mechanismen arbeiten.

Anstelle von FETs werden daher zunehmend die von Dexerials entwickelten niederohmigen SCPs* als Sicherungselement für den Sekundärschutz eingesetzt. Schnellladende Smartphones müssen den Energieverlust minimieren, indem sie den Widerstand der Schaltungskomponenten so weit wie möglich senken, um die während des Ladevorgangs erzeugte Wärme zu reduzieren. Der Sicherungswiderstand des SCP Modells SFJ-0422U beträgt 0,9 mΩ, der kleinste unter den SCPs von Dexerials für kleine Geräte und weniger als die Hälfte des Widerstands allgemeiner FETs, die für den Sekundärschutz verwendet werden. Dies hat dazu geführt, dass es in vielen schnell aufladbaren Smartphones eingesetzt wird.

* SCP ist ein Sicherungselement, das für den Sekundärschutz von Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird und 1994 von Sony Chemicals (heute Dexerials) auf den Markt gebracht wurde. Mittlerweile ist es in vielen Geräten mit Lithium-Ionen-Akkus verbaut.

Die obige Abbildung zeigt das Verhältnis zwischen Temperatur und Strom von SCP, die auf einer Platine montiert sind. Wenn der Strom von 0,2 A auf 5 A erhöht wird, bleibt der Widerstand des SFJ-0422U bei 0,9 mΩ nahezu unverändert. Obwohl die Temperatur aufgrund der Joule-Hitze ansteigt, ist der Anstieg allmählich und endet bei +11°C. (Hinweis: Die Temperaturen dienen nur als Referenz, da sie stark von der Umgebung beeinflusst werden.)
Smartphone-Hersteller konstruieren ihre Produkte so, dass sie die angegebenen Temperaturen nicht überschreiten, um das Auftreten von Verbrennungen bei niedrigen Temperaturen und anderen Gesundheitsgefahren auch nach längerer Nutzung zu verhindern. SCPs mit niedrigem Widerstand helfen, Temperaturanstiege und Stromverbrauch zu unterdrücken.

Die geringe Größe von SCP führt zu seiner Einführung in 200 Millionen Einheiten

Das obige Diagramm zeigt, wie der SFJ-0412S, ein Standardprodukt für kleine, niederohmige SCPs, in den Lithium-Ionen-Batterie eines Smartphones integriert ist. In Smartphones ist der Platz begrenzt, und Schutzschaltungsmodule müssen miniaturisiert werden. In vielen Fällen sind Modulplatinen, wie in der Abbildung dargestellt, lang und schmal. Daher bietet der SFJ-0412S mit einer Montageflächenbreite von 3 mm ein äußerst platzsparendes Design. Dexerials entwickelte außerdem ein noch kleineres Produkt, den SFR-0412x (1,8 mm an der kürzesten Seite), um die Miniaturisierung von Schutzschaltungsmodulen zu unterstützen. Seit seiner Einführung im Jahr 1994 gilt der SCP von Dexerials als Standardkomponente sekundärer Schutzsicherungen für Lithium-Ionen-Akkus. Bis März 2024 wurden über 2,84 Milliarden Einheiten ausgeliefert.

SCP (SFJ-0422U) für Schnellladegeräte

Die Entwicklung niederohmiger SCPs, die in schnellladefähigen Smartphones zum Einsatz kommen, begann vor einigen Jahren mit einer Kundenanfrage. Dexerials entwickelte daraufhin SFJ-0422U, einen niederohmigen und kleinen SCP.

Dexerials arbeitet derzeit an der anspruchsvollen Aufgabe, einen niedrigen Sicherungswiderstand zu erreichen, um schnellladefähige Miniatur-Smartphones zu ermöglichen. Eine Vergrößerung des Strompfads durch den Querschnitt des Sicherungselements kann den Widerstand senken, vergrößert aber gleichzeitig das Element, was eine Miniaturisierung unmöglich macht. Insbesondere bei begrenzter Bauteilhöhe, wie bei Smartphones, besteht die einzige Möglichkeit darin, die Bauteile horizontal zu verlängern, was zu einer größeren Montagefläche führt. Andererseits reduziert die Miniaturisierung den Strompfad durch den Querschnitt, was zu einem Anstieg des Sicherungswiderstands führt.

Nachfolgend finden Sie die Produktinformationen zu den jetzt verfügbaren SCPs (SFJ-0412S und SFJ-0422U).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Hauptunterschied zwischen SCPs und FETs als sekundäre Schutzelemente ihre Funktion als Stromkreisunterbrecher ist. Tritt ein Problem mit dem Akku eines Smartphones auf, erkennt der Schutz-IC eine anormale Spannung und schaltet den Stromkreis mithilfe von FETs ab. Dies ist jedoch nur vorübergehend; sobald die Spannung wieder im Normalbereich liegt, ist Laden und Entladen wieder möglich. Tritt hingegen eine anormale Überladung oder ein Überstrom im Akku auf, löst der SCP das Sicherungselement aus und der Stromkreis wird dauerhaft unterbrochen. Sekundärschutz dienen dazu, im Notfall Schäden zu verhindern. Daher ist es sicherer, den Akku nach einem Problem vorsorglich zu deaktivieren.

Tatsächlich werden auch heute noch Unfälle mit Lithium-Ionen-Batterien gemeldet. Dexerials wird die SCPs weiter verbessern, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen.