手机USB充电和过压保护设计方案

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  中国信息产业部发布的“YD/T 1591-2006移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法”标准已经强制执行，预计这一举措将大幅减少中国每年与新手机一起销售的电池充电器的数量，从而降低手机总体材料成本，并减少废弃电子装置带来的环境污染。 

    YD/T 1591标准涉及两大部分，分别是移动通信手持机侧(简称“手机侧”)和充电器侧。手机侧指的是手机加上手机连接充电器直流输出端的线缆及其插头，由手机制造商提供；充电器侧指充电器及直流输出连接插座，由充电器厂商提供。 
    YD/T 1591标准手机侧的要求主要分为三个部分，分别是手机侧连接接口电气性能要求(标准4.2.3.1)、手机侧充电连接接口及线缆要求(标准4.2.3.3、4.2.3.4)和手机侧供电装置识别(标准4.2.3.5)。本文将重点结合手机侧的要求来分析USB充电和过压保护设计策略，以及相应的解决方案。 



图1：YD/T 1591-2006 标准所涵盖手机侧和充电器侧两大部分。 

手机充电要求及不同充电电路解决方案比较 

     通常所称的手机充电器实际上是交流/直流(AC-DC)电源适配器，真正的充电电路乃是在手机内部。根据YD/T 1591标准要求，手机充电接口直流输入电压也就是充电器的输出电压为5 V±5%，即范围为4.75 V~5.25 V；标准充电器的充电电流为300 MA至1,800 MA，非标准充电器(如笔记本电脑的USB端口等)的最大充电电流为500 MA。无论充电器的输出功率如何，手持机侧充电控制电路应能根据自身需求实施安全充电，不应出现过热、燃烧、爆炸以及其它电路损坏的现象。 

    在手机内部的充电电路方面，业界有着不同的解决方案，主要包括分立式充电IC、集成式充电IC、电源管理集成电路(PMIC，或称电源管理单元，简称PMU)+外部充电功率元件等三种。这三种方案各有其特点。其中，对于分立式充电IC方案而言，优点在于便于增加或修改功能，从而更有利于实现产品差异化，此外，这种方案有利于实现困难的电路板布局，达到苛刻的电磁兼容要求，也具有更好的散热特性。其缺点在于使用的元件较多，成本高，会增加电路板占用面积，而这会给电路板空间弥足珍贵的手机等便携设备设计带来更大挑战。这种方案正在逐步淘汰之中。 
    对于集成式充电方案而言，它集成了大量的功能，所需的外围器件非常少，易于实现小尺寸的外形因数，利于降低电路板布局的复杂性。包括安森美半导体在内的众多厂商都支持这种方案。不过，由于工艺和功耗方面的原因，集成式充电解决方案对充电电流的大小 会有严格限制。此外，集成式方案布局比较麻烦，缺乏灵活性，难以满足产品功能差异化要求，所集成的众多功能对有些客户来说可能意味着过多的限制。因此，这种方案主要适合于对灵活性要求不高的高产量应用。 

  

图2：“PMU+充电功率元件”型充电解决方案的结构示意图。 
    相比较前两种方案而言，“PMU/PMIC+充电功率元件”这种方案处于主流地位。这种方案综合了集成度与灵活性的优势，适用于必须支持不同市场的产品。基于这种理念的设计不会占用太多电路板空间，但元件的位置可以更灵活，且易于实现产品的差异化。在这种方案中，外部充电功率元件可以是场效应管(FET)、双FET、双极型晶体管(BJT)和FETKY(MOSFET和肖特基二极管共同封装在一起)等。这种解决方案的结构示意图如图2所示。 
    如上所述，在第三种解决方案中，可以选用不同的外部充电功率元件。那么，究竟什么样的充电功率元件更合适呢？我们可以通过最坏情况来予以分析。 
    假定充电器(电源适配器)提供的最低电压是4.75 V，而电池电压为4.3 V，充电器电流为500 mA，而感测电阻为200 mΩ，PCB电阻为100 MΩ。这样对手机充电电路而言，就在电源输入和电池之间留出了0.45 V的电压裕量。 



图3：FETKY和双FET方案的结构示意图 
    结合图2和图3(A)所示，充电由PMU控制，MOSFET充当充电电流的传输元件。这里计算一下通过这个充电电路中的两个传输元件(MOSFET和肖特基二极管)的压降。 
    Vdropout = 充电电流×Rds(On)+Vf = 0.5 A×Rds(On)+Vf 
    在最坏情况下，充电器电流为500 MA时，压降(Vdropout)概算为300 MV。也就是当充电器电流为500 MA时，典型的肖特基二极管的正向电压(Vf)已经是400 MV，这就导致无法提供足够的电压裕量。而且随着充电电流的增加，肖特基二极管所促成的0.4 V极高压降更会使其成为一个阻塞点。因此，在今后的解决方案中应该避免使用FETKY解决方案。 
    而在另一方面，通过用具有低V CE(Sat)的晶体管或者具有低Rds(On)的MOSFET代替肖特基二极管，可以降低传输元件上的压降，从而符合所需要的有限电压裕量要求。例如，双FET用作充电功率元件(如图3(B)所示)就是一个更加合适的选择。在这方面，安森美半导体的NTLJD3115P和NTHD4102P就是非常适合的选择。其中，NTLJD3115P是一款-20 V、-4.1 A、ΜCool™ 双P沟道功率MOSFET，它采用2×2 Mm的WDFN封装，具有极低的导通阻抗，其0.8 Mm的高度也使其非常适合纤薄的应用环境；它针对便携设备中的电池和负载管理应用进行了优化，适合于锂离子电池充电和保护电路应用及高端负载开关应用。而NTHD4102P是一款-20 V、-4.1 A双P沟道ChipFETTM功率MOSFET，同样具有较小的占位面积和极低的导通阻抗，适合于纤薄的便携应用环境。 
    具体而言，采用双FET的有利因素包括：阻塞反向电流、允许反向给蓝牙配件充电，以及导通阻抗(Rds(On))较低。此外，对于MOSFET而言，由于它需要频繁地进行开关操作，所以其发热成为一项问题，并且由此影响到它的使用寿命。而在采用双FET的方案中，MOSFET器件所具备的热感应等额外功能可以建立热控制环路，支持快速高效的充电方案和热保护。 
    而在用双FET作为充电功率元件进行500 MA甚至1,800 MA的大电流充电时，需要注意到许多设计考虑事项，如器件温度、温度的计算过程容易出错等。不过，就近的节温度传感器可以改正部分错误，且准确的温度调节可以实现高效的充电解决方案。此外，还需要针对性地进行设备热模拟和温度感应FET评估等工作。 
    总的来看，在选择 MOSFET 作为电池充电电路的充电功率元件时，我们应注意其电流额定值、击穿电压、栅极阈值及热性能等。我们可根据不同的 PMIC/PMU 和设计目标，采用不同的配置。 



有效的过压保护解决方案 
    根据YD/T 1591-2006标准，手机侧充电控制电路应具备过压保护装置，也就是在手机充电接口导入直流6 V以上电压时，如果不能保证安全充电，应启动保护，在非预期电压的情况下，不应出现过热、燃烧、爆炸以及其它电路损坏的现象，而且恢复后，手机应能正常工作。如图4所示，过压保护(OVP)电路在检测到过压故障状况时，检测电路就会将开关打开，使电子负载与电源断开，从而使得包括微处理器、射频、存储器和电源管理器件等核心芯片遭受过压损伤。   

  

图4：过压保护电路启用的原理示意图。 
    在为手机充电电路提供过压保护方面，即有分立的解决方案，也有集成的解决方案。在分立式解决方案方面，其中之一就是考虑到远高于6 V的电压情形，如静电放电(ESD)，其瞬间的应力电压可能高达几千伏甚至十几千伏，这种情形下，可以施加瞬态电压抑制器(TVS)二极管，以此处理瞬变极快的过压故障。在这方面，安森美半导体的TVS二极管就非常适用。例如，在击穿电压为6.2 V时，安森美半导体的ESD5Z5.0T1.G能在几纳秒时间内就对符合IEC61000-4-2标准的高达30 KV的输入电压进行钳位，且钳位电压可高达11.6 V，从而为系统中的关键元件提供可靠的ESD保护。 
    另一种分立型解决方案就是将OVP驱动器与外部P-MOS配合使用。安森美半导体的NCP346就是这样一个适用的驱动电路，它能够承受高达30 V的瞬态电压。这器件设计用于感测过压状况，并快速地从负载断开输入的电压，从而防止造成损伤。NCP346包含精确的电压参考、磁滞比较器、控制逻辑以及MOSFET门驱动器。搭配OVP驱动器与外部P-MOS时，其优点在于精度高、支持Enable引脚，且下游系统可与AC-DC完全分离。但它也有其缺陷，如电流消耗高及解决方案尺寸较大等。 
    除了这些分立的解决方案，安森美半导体还推出了全集成的OVP解决方案。这也包括两种解决方案，其中一种是针对插墙式AC-DC适配器充电为手机提供高达2 A的电流和高达28 V的故障瞬态电压的保护，在这方面，安森美半导体的NCP348就是非常适合的选择。NCP348支持的墙式适配器和USB充电电流和电压可分别高达2 A和28 V。它支持Enable和Status /FLAG引脚，并支持6.02和6.4 V的不同过压锁定(OVLO)值。其它的优点包括下游系统可与AC-DC完全隔离和精度高等。此外，它采用极小的2×2.5 Mm WDFN封装，非常适合小巧的便携应用。不过，这种方案也有其不足之处，也就是在500 ΜA电流的休眠模式下，不符合USB规范。这种情况下的解决之道就是采用NCP360和NCP361过压保护电路。NCP360是一款带内置PMOS FET和状态标记的USB正向过压保护控制器，它能够在检测到错误的VBUS工作条件时从输出引脚断开系统连接。这器件能够高达20 V的正向过压保护。由于集成了内部PMOS FET，无需外部元件，从而降低了系统成本，并减少了电路板占用面积。此外，在旁路设置一个1 ΜF或更大的电容时，这器件还能够提供ESD保护输入(15 KV空气放电)。NCP361则是一款正向过压保护和过流保护控制器。它不仅能够在检测到输入电压超过过压阀值时瞬时断开输出连接，而且得益于其过流保护能力，其集成的PMOS将在充电电流超过电流限制时关闭。  



图5：集成式OVP解决方案NCP348的应用电路示意图。 
    另一种方案针对的就是通过USB端口(VUSB引脚)来充电。这种方案的充电电流为100 MA或500 MA，休眠模式下的电流为500 ΜA(NCP360和NCP361)或100 ΜA(NCP348)。 
    对于过压而言，为了避免造成损伤，过压保护器件的关断时间必须尽可能地快。值得一指的是，无论是NCP360还是NCP348，与同类产品相比，其关断时间都更短。以NCP348为例，它最长需要5 Μs的关断时间，而在3 V/Μs 条件下，一般只需要 1.5 Μs。而NCP360最长只需要1.5 Μs，一般只需要0.8 Μs。 
    总的来看，在为手机充电电路提供过压保护方面，集成式OVP是最高效的解决方案，它不仅使得下游系统可与AC-DC适配器完全隔离，而且PCB占用空间最小，并且提供多种功能，如精度高、支持Enable和Status /FLAG引脚和提供过流保护等。此外，安森美半导体还可为墙式电源适配器与USB充电解决方案提供不同的专用元件，如NCP348、NCP360和NCP361等。 

总结： 
    中国信息产业部强制执行的“YD/T 1591-2006移动通信手持机及接口技术要求和测试方法”标准对手机侧和充电器侧都提出了相应的要求。本文重点探讨了手机侧充电电路的充电解决方案及过压保护解决方案。作为全球领先的电源半导体及电路保护解决方案供应商，安森美半导体提供一系列的高性能充电控制和过压保护解决方案，满足客户的不同需求，帮助客户更好地开发符合信产部要求的产品，并加快上市进程。