前车之鉴,电源系统安全设计到底应该怎么做？

在韩国首尔，三星电子无线事业部总裁高东真在新闻发布会上鞠躬。三星电子公司23日上午在韩国首尔召开新闻发布会，与三家独立调查机构联合公布三星智能手机盖乐世Note7燃损事件调查结果，表示燃损原因在电池。

对于软硬件开发人员来说，手机正在成为一个吞噬一切的黑洞。手机技术突破性创新降低至零附近时，增加功能与更改外观就成为了手机产品经理的主要任务。不管需不需要的功能都往里塞，系统越来越庞大;对外观无条件妥协，工业设计日趋轻薄和异形化。产品经理们大概忘了，手机是一个电子产品，对空间、材料特性有基本要求，开发人员也是人，在开发时间不变甚至被不断压缩的情况下不断增加功能，只能把开发设计的风险不断加大，三星Galaxy Note 7出问题，从公司运营层面来讲，以上的原因是根本原因。

设计临时更改、供应商不靠谱、甚至埋怨友商，都只是借口。

至于Note 7爆炸之后三星的应对，已经不想再做评论，想说的在2016年9月份第一次禁售时已经说完，虽然没有预料到三星应对水平如此出格，但聊以自慰的是当时宣判了Note 7的死刑，此后事态的发展证明了我的预测，甚至比我预测的还要好。当然，所谓“好”是对我的预测而言，对三星来说自然是一场不大不小的灾难。

作为一家对读者负责的行业媒体，仅显摆预测正确的结果是不够的，能够追根溯源，将整个爆炸事件在技术层面上厘清本末才是行业媒体存在的价值。自爆炸事件被媒体曝光后到现在，我一直在关注三星Note 7事件的进展，并与多位行业人士交流，这次更邀请到多家电源芯片厂商，请其从第三方立场出发，对三星Note 7电池爆炸原因进行剥丝抽茧的分析，并对电源安全设计理念进行全面梳理，一定会比三星自己公布的内容要更丰富翔实。

Note7爆炸的可能原因

Note 7 爆炸后，三星第一时间给出的解释是SDI生产的电池有问题，更换电池以后可以解决该问题,但随后国行Note 7 也发生了爆炸，国行Note 7三星采用另外一家供应商ATL生产的电池。虽然也不能排除ATL与SDI生产的电池同时出现了安全问题，但只查电池解决不了电源系统安全问题。

“首先检查电池本身的设计，我相信三星肯定采取了保护措施来防止快速充电造成的过热问题，”Intersil移动电源产品部市场营销与应用总监魏佳分析，“但如果问题处在电池内部，那么任何外部保护都是徒劳。”

魏佳表示，Note 7 实现快速充电的系统设计可能存在安全隐患。“其次检查用于Note 7 上实现快速充电的三个协同充电器之间的交互。多个充电器的系统工作比较复杂，如果设计不当，可能会出现事先考虑不到的极端情况。”魏佳进一步指出，Note 7的三个充电器来自三个不同的厂家，这使风险成倍增加。

力生美(Lii Semiconductor)半导体创始人兼技术总监林新春表示，部分厂家为了迎合消费者，把产品设计的重点放在外观上，“完全不考虑电气结构的合理性，甚至无视安规要求，以电源板能装进美观的外壳中为唯一目的，导致产品丧失最基本的安全防护能力。”

关于Note 7 手机爆炸的原因，林新春建议从四个方面去查找根本原因，即电池结构是否存在缺陷，近期和远期是否存在变化的可能;电池保护系统是否存在缺陷，保护系统是否独立运行;充电系统是否存在缺陷，异常状况出现时能否安全脱开;机械结构是否牢固，长时间使用后是否会出现结构性改变从而伤害到电池。

凌力尔特(Linear Technology)电源产品部产品市场总监Tony Armstrong表达了对现行开发流程的担心。他认为，系统复杂度的提升与开发周期的减少导致电源设计经常被放在次要位置，这有点本末倒置，电源部分在产品开发中的重要性怎么强调都不过分。

除了手机，如今便携式产品越来越多，在电池技术没有突破性进展时，增加续航时间往往意味着使用更大容量的电池，这对设计工程师提出了非常严峻的考验，安森美半导体中国区应用工程总监吴志民列举了低瓦数电源经常遇到的安全问题：没有足够的散热空间导致过温;爬电距离不够安全;PCB走线间距过近，在制造中容易短路;选择过小的输出电容以符合尺寸限制，从而牺牲长期可靠性。

散热

多数受访厂商都表示，短路、过压与散热不佳是引起电池起火或爆炸的主要原因，因为锂电池起火的根本原因就是短时间内大量热量无法散出，导致电池周围温度快速上升，当温度超过其承受范围后，锂电池很容易起火爆炸。

锂电池温度特性

解决电池散热问题需要从两个层面入手，一个是芯片与电池等元器件层面，一个是硬件系统设计层面。

吴志民表示，提高芯片层面的散热性能有两个方向。第一，采用具备更好热电阻特性的新封装;第二，以更低的品质因数(FOM)的半导体新工艺生产功率器件。

以晶体管外壳无引脚封装(Transistor Outline Leadless，简称TOLL)为例，其属于STM封装，封装热电阻极低。相比传统的D2PAK(Double Decawatt Package)封装，TOLL封装的面积越小30%，高度只有D2PAK的一半左右，一个典型的40V/0.65mΩ的器件采用TOLL封装，热阻仅为0.35℃/W，该器件可以工作在300A电流下。在新工艺方面，安森美的碳化硅器件比传统硅器件的散热性能更好，具备极低的导通损耗和开关损耗，没有二极管反向恢复电流，因此可以在较高的温度条件下工作。

东芝电子(中国)有限公司技术部副高级经理屈兴国告诉与非网记者，东芝的产品通过采用新的芯片设计和双面散热型封装设计，达到了更好的散热效果。

魏佳也认为，解决散热最有效的方法是采用功率转换效率高、功率损耗小的解决方案。利用高性能半导体工艺(例如0.13um BCD工艺)和更高性能的终端产品拓扑架构(例如降压-升压充电器)，Intersil在不断提升其电源产品的功率转换效率。

凌力尔特的Tony Armstrong则给出了更多的板级设计散热经验。他指出，好的PCB布局设计能够优化电源效率，降低散热压力，还能减少信号之间的干扰。对于没有散热片的功率MOSFET与电感，铺铜面积要够大才能满足散热要求;对于整板的直流电压节点(例如输入、输出电压，电源或地平面)，也是连接线越粗，铜皮面积越大越好，多打过孔也有利于散热。对于高电压转换(dv/dt)节点，铺多大面积的铜需要在降低开关噪声与提供良好的散热性之间进行权衡。(编者注：铺铜面积大则高速开关噪声影响范围变大，铺铜面积小则散热性不佳)Tony还特别强调，控制电路应该远离开关噪声强的区域，以免受到影响。

大功率模块与车载电源安全

相比小功率模块，大功率模块和产品由于电压高、电流大，所以一旦安全设计上有风险，出问题时造成的损失一般也更大。

Tony Armstrong认为，大功率模块的安全设计规则与小功率模块类似，但由于大功率器件的电压、功率更高，所以在高电压(例如高于100V)设计中需要更多的设计规则以保证系统安全。他给出了三点建议：最小化高电压端副边绕组磁性器件的面积;为所有高压节点(例如MOSFET漏极、输出电压、变压器副边绕组)留足间隔，以满足系统对击穿电压的要求;最小化电容、变压器原边及MOSFET漏极回路路径，回路路径越长，漏电感越大，MOSFET漏极上出现过压的可能性就越高。

高温是大功率模块常面临的问题之一。林新春表示，受限于转换效率，大功率模块系统在工作中必然产生一定的损耗，从而产生显著的温升，而模块中各器件并非平均地承载这些温升，因此极易存在较大的不平衡性，部分损耗较大的元件也容易达到较高的温度，若系统处理不合理或者在使用过程中散热措施意外失效，将导致严重的过热发生，从而带来安全问题。因此系统设计时应充分考虑温升状况，设置必要且充足的散热措施，同时应充分考虑散热措施失效时系统的安全状况，确保异常情况下不会发生严重的安全事故。

随着新能源车的增多，电池安全也不再只是手机等便携式设备的问题。安森美的吴志民指出，汽车电源系统设计工程师应该留出更多的设计余量，考虑更坏的应用状况，在散热设计与过应力保护方面增加更多的措施，才能确保系统的安全运行。安森美的大功率IGBT、MOSFET、碳化硅等器件车载功率器件增强了安全工作区(SOA)、浪涌电流承受能力和雪崩能量，非常适合汽车应用的关键要求。

电池

本专题邀请了有电池业务的日本松下及瑞萨公司参与，但瑞萨公司拒绝了采访邀请，而松下公司对采访邀请没有回应。

松下电器机电(中国)总经理殷志明在2016年接受与非网记者采访时曾表示，现在锂电池容量提升的极限为3%至5%左右。在没有突破性新技术出现时，增大电池容量就意味着增大电池体积，假如整个产品的体积不变(甚至由于产品经理的压力而减小)，那么其他部件的体积就要被压缩，这是引发很多电源系统安全隐患根本原因。

特斯拉提供的电池能量增加与成本降低曲线

林新春表示，主要采用电池供电的设备倾向于走向两个极端，要么产品体积越来越大，要么产品体积越来越小。可穿戴设备等便携设备由于应用需求，体积越做越小，基本只采用单芯电池，即便电池占用最大的空间，体积也有限，所以对电池的能量密度要求非常高;大设备(例如电动汽车、电动工具)由于体积空间足够，多采用多节电池的高电压系统，以特斯拉为例，一辆车上装有7000多节18650电池，所以对整个系统的安全设计提出了更多的要求。

据TE中国汽车事业部新能源经理王渊解释，纯电动车工作电压高达800V至900V，工作电流在200至300安培左右。电动车对于电池系统的可靠性要求非常高，需要在连接保护和状态监控方面做到充分的工作才能够保障电动车的安全。以电芯连接为例，电池包本身是高压模块，而电池状态信息传输是低压信号，“模块与模块之间有高电流传输，线束有高压和低压，电池包的连接方案实际上非常复杂。”

应对之道

电源系统安全与否关系到整个产品是否安全，三星Note 7爆炸事件给所有电子行业产业人士敲响了警钟，电源芯片厂商如何看待将来的电源系统设计发展趋势呢?

林新春表示，芯片级的主动安全防御技术将大大提高系统的安全性。他指出，主动安全防御具有如下特点：充电过程中电流和电压的精确匹配，尽量减小充电转化以外的损耗;采用主动功率监控措施，进行动态的实时功率通讯和判断，在功率传输和充电异常时可即时降低充电功率或终止充电;配合系统级的电压、电流与温度监控等措施，可以在被动与主动两个角度来提高系统的电源安全等级。

ROHM半导体(上海)设计中心高级经理周劲表示，为提高整个电源系统的可靠性，提高电源本身的平均无故障时间，要求电源管理芯片逻辑严密，电路简单。在实际使用中，把直流稳压器的输入输出限定在芯片所给定的技术指标内，在所要求的工作温度范围内正确使用也能进一步确保开关电源的正常工作与高可靠性。

智能化提高电源解决方案安全性的一种途径。“现代半导体技术能够监测多个参数并内置保护方案，挑战始终在于如何平衡成本与功能(智能)，”魏佳认为，消费者总是希望用上价格越低功能越高的产品，OEM厂商要根据自己的标准来选择折中方案，“而消费者则用其钱包投票，正如老话所说：一分钱一分货。”

三星Note 7 爆炸原因如何已经不重要，重要的是电子行业从业者能否从Note 7 爆炸事件中汲取足够的教训。对于三星这样级别的公司，技术问题出在何处并不难查出，也不难在操作流程上加上几条以示杜绝Note 7 事件重演的决心。但外观设计与系统安全孰重孰轻，留足开发时间以最大限度降低次品率好还是赶上市窗口期而匆忙召回好，才是三星等需要好好思考的问题。