- 手機(jī)USB充電和過壓保護(hù)解決方案
- 針對性地進(jìn)行設(shè)備熱模擬和溫度感應(yīng)FET評估
- 將OVP驅(qū)動器與外部P-MOS配合使用
本文將重點(diǎn)結(jié)合手機(jī)側(cè)的要求來分析USB充電和過壓保護(hù)設(shè)計(jì)策略，以及相應(yīng)的解決方案。
圖1 YD/T 1591-2006 標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋手機(jī)側(cè)和充電器側(cè)兩大部分
手機(jī)充電要求及不同充電電路解決方案比較
通常所稱的手機(jī)充電器實(shí)際上是交流/直流(AC-DC)電源適配器，真正的充電電路乃是在手機(jī)內(nèi)部。根據(jù)YD/T 1591標(biāo)準(zhǔn)要求，手機(jī)充電接口直流輸入電壓也就是充電器的輸出電壓為5 V±5%，即范圍為4.75 V~5.25 V；標(biāo)準(zhǔn)充電器的充電電流為300 mA至1,800 mA，非標(biāo)準(zhǔn)充電器(如筆記本電腦的USB端口等)的最大充電電流為500 mA。無論充電器的輸出功率如何，手持機(jī)側(cè)充電控制電路應(yīng)能根據(jù)自身需求實(shí)施安全充電，不應(yīng)出現(xiàn)過熱、燃燒、爆炸以及其它電路損壞的現(xiàn)象。
在手機(jī)內(nèi)部的充電電路方面，業(yè)界有著不同的解決方案，主要包括分立式充電IC、集成式充電IC、電源管理集成電路(PMIC，或稱電源管理單元，簡稱PMU)+外部充電功率元件等三種。這三種方案各有其特點(diǎn)。其中，對于分立式充電IC方案而言，優(yōu)點(diǎn)在于便于增加或修改功能，從而更有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化，此外，這種方案有利于實(shí)現(xiàn)困難的電路板布局，達(dá)到苛刻的電磁兼容要求，也具有更好的散熱特性。其缺點(diǎn)在于使用的元件較多，成本高，會增加電路板占用面積，而這會給電路板空間彌足珍貴的手機(jī)等便攜設(shè)備設(shè)計(jì)帶來更大挑戰(zhàn)。這種方案正在逐步淘汰之中。
對于集成式充電方案而言，它集成了大量的功能，所需的外圍器件非常少，易于實(shí)現(xiàn)小尺寸的外形因數(shù)，利于降低電路板布局的復(fù)雜性。包括安森美半導(dǎo)體在內(nèi)的眾多廠商都支持這種方案。不過，由于工藝和功耗方面的原因，集成式充電解決方案對充電電流的大小 會有嚴(yán)格限制。此外，集成式方案布局比較麻煩，缺乏靈活性，難以滿足產(chǎn)品功能差異化要求，所集成的眾多功能對有些客戶來說可能意味著過多的限制。因此，這種方案主要適合于對靈活性要求不高的高產(chǎn)量應(yīng)用。
圖2“PMU+充電功率元件”型充電解決方案的結(jié)構(gòu)示意圖
相比較前兩種方案而言，“PMU/PMIC+充電功率元件”這種方案處于主流地位。這種方案綜合了集成度與靈活性的優(yōu)勢，適用于必須支持不同市場的產(chǎn)品?；谶@種理念的設(shè)計(jì)不會占用太多電路板空間，但元件的位置可以更靈活，且易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。在這種方案中，外部充電功率元件可以是場效應(yīng)管(FET)、雙FET、雙極型晶體管(BJT)和FETKY(MOSFET和肖特基二極管共同封裝在一起)等。這種解決方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
如上所述，在第三種解決方案中，可以選用不同的外部充電功率元件。那么，究竟什么樣的充電功率元件更合適呢？我們可以通過最壞情況來予以分析。
假定充電器(電源適配器)提供的最低電壓是4.75 V，而電池電壓為4.3 V，充電器電流為500 mA，而感測電阻為200 mΩ，PCB電阻為100 mΩ。這樣對手機(jī)充電電路而言，就在電源輸入和電池之間留出了0.45 V的電壓裕量。
圖3 FETKY和雙FET方案的結(jié)構(gòu)示意圖
結(jié)合圖2和圖3(a)所示，充電由PMU控制，MOSFET充當(dāng)充電電流的傳輸元件。這里計(jì)算一下通過這個充電電路中的兩個傳輸元件(MOSFET和肖特基二極管)的壓降。
Vdropout = 充電電流×Rds(on)+Vf = 0.5 A×Rds(on)+Vf
在最壞情況下，充電器電流為500 mA時(shí)，壓降(Vdropout)概算為300 mV。也就是當(dāng)充電器電流為500 mA時(shí)，典型的肖特基二極管的正向電壓(Vf)已經(jīng)是400 mV，這就導(dǎo)致無法提供足夠的電壓裕量。而且隨著充電電流的增加，肖特基二極管所促成的0.4 V極高壓降更會使其成為一個阻塞點(diǎn)。因此，在今后的解決方案中應(yīng)該避免使用FETKY解決方案。
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而在另一方面，通過用具有低V CE(Sat)的晶體管或者具有低Rds(on)的MOSFET代替肖特基二極管，可以降低傳輸元件上的壓降，從而符合所需要的有限電壓裕量要求。例如，雙FET用作充電功率元件(如圖3(b)所示)就是一個更加合適的選擇。在這方面，安森美半導(dǎo)體的NTLJD3115P和NTHD4102P就是非常適合的選擇。其中，NTLJD3115P是一款-20 V、-4.1 A、μCool? 雙P溝道功率MOSFET，它采用2×2 mm的WDFN封裝，具有極低的導(dǎo)通阻抗，其0.8 mm的高度也使其非常適合纖薄的應(yīng)用環(huán)境；它針對便攜設(shè)備中的電池和負(fù)載管理應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，適合于鋰離子電池充電和保護(hù)電路應(yīng)用及高端負(fù)載開關(guān)應(yīng)用。而NTHD4102P是一款-20 V、-4.1 A雙P溝道ChipFETTM功率MOSFET，同樣具有較小的占位面積和極低的導(dǎo)通阻抗，適合于纖薄的便攜應(yīng)用環(huán)境。
具體而言，采用雙FET的有利因素包括：阻塞反向電流、允許反向給藍(lán)牙配件充電，以及導(dǎo)通阻抗(Rds(on))較低。此外，對于MOSFET而言，由于它需要頻繁地進(jìn)行開關(guān)操作，所以其發(fā)熱成為一項(xiàng)問題，并且由此影響到它的使用壽命。而在采用雙FET的方案中，MOSFET器件所具備的熱感應(yīng)等額外功能可以建立熱控制環(huán)路，支持快速高效的充電方案和熱保護(hù)。
而在用雙FET作為充電功率元件進(jìn)行500 mA甚至1,800 mA的大電流充電時(shí)，需要注意到許多設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)，如器件溫度、溫度的計(jì)算過程容易出錯等。不過，就近的節(jié)溫度傳感器可以改正部分錯誤，且準(zhǔn)確的溫度調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)高效的充電解決方案。此外，還需要針對性地進(jìn)行設(shè)備熱模擬和溫度感應(yīng)FET評估等工作。
總的來看，在選擇 MOSFET 作為電池充電電路的充電功率元件時(shí)，我們應(yīng)注意其電流額定值、擊穿電壓、柵極閾值及熱性能等。我們可根據(jù)不同的 PMIC/PMU 和設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用不同的配置。
有效的過壓保護(hù)解決方案
根據(jù)YD/T 1591-2006標(biāo)準(zhǔn)，手機(jī)側(cè)充電控制電路應(yīng)具備過壓保護(hù)裝置，也就是在手機(jī)充電接口導(dǎo)入直流6 V以上電壓時(shí)，如果不能保證安全充電，應(yīng)啟動保護(hù)，在非預(yù)期電壓的情況下，不應(yīng)出現(xiàn)過熱、燃燒、爆炸以及其它電路損壞的現(xiàn)象，而且恢復(fù)后，手機(jī)應(yīng)能正常工作。如圖4所示，過壓保護(hù)(OVP)電路在檢測到過壓故障狀況時(shí)，檢測電路就會將開關(guān)打開，使電子負(fù)載與電源斷開，從而使得包括微處理器、射頻、存儲器和電源管理器件等核心芯片遭受過壓損傷。
圖4 過壓保護(hù)電路啟用的原理示意圖
在為手機(jī)充電電路提供過壓保護(hù)方面，即有分立的解決方案，也有集成的解決方案。在分立式解決方案方面，其中之一就是考慮到遠(yuǎn)高于6 V的電壓情形，如靜電放電(ESD)，其瞬間的應(yīng)力電壓可能高達(dá)幾千伏甚至十幾千伏，這種情形下，可以施加瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管，以此處理瞬變極快的過壓故障。在這方面，安森美半導(dǎo)體的TVS二極管就非常適用。例如，在擊穿電壓為6.2 V時(shí)，安森美半導(dǎo)體的ESD5Z5.0T1.G能在幾納秒時(shí)間內(nèi)就對符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的高達(dá)30 kV的輸入電壓進(jìn)行鉗位，且鉗位電壓可高達(dá)11.6 V，從而為系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件提供可靠的ESD保護(hù)。
另一種分立型解決方案就是將OVP驅(qū)動器與外部P-MOS配合使用。安森美半導(dǎo)體的NCP346就是這樣一個適用的驅(qū)動電路，它能夠承受高達(dá)30 V的瞬態(tài)電壓。這器件設(shè)計(jì)用于感測過壓狀況，并快速地從負(fù)載斷開輸入的電壓，從而防止造成損傷。NCP346包含精確的電壓參考、磁滯比較器、控制邏輯以及MOSFET門驅(qū)動器。搭配OVP驅(qū)動器與外部P-MOS時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)在于精度高、支持Enable引腳，且下游系統(tǒng)可與AC-DC完全分離。但它也有其缺陷，如電流消耗高及解決方案尺寸較大等。
除了這些分立的解決方案，安森美半導(dǎo)體還推出了全集成的OVP解決方案。這也包括兩種解決方案，其中一種是針對插墻式AC-DC適配器充電為手機(jī)提供高達(dá)2 A的電流和高達(dá)28 V的故障瞬態(tài)電壓的保護(hù)，在這方面，安森美半導(dǎo)體的NCP348就是非常適合的選擇。NCP348支持的墻式適配器和USB充電電流和電壓可分別高達(dá)2 A和28 V。它支持Enable和Status /FLAG引腳，并支持6.02和6.4 V的不同過壓鎖定(OVLO)值。其它的優(yōu)點(diǎn)包括下游系統(tǒng)可與AC-DC完全隔離和精度高等。此外，它采用極小的2×2.5 mm WDFN封裝，非常適合小巧的便攜應(yīng)用。不過，這種方案也有其不足之處，也就是在500 μA電流的休眠模式下，不符合USB規(guī)范。這種情況下的解決之道就是采用NCP360和NCP361過壓保護(hù)電路。NCP360是一款帶內(nèi)置PMOS FET和狀態(tài)標(biāo)記的USB正向過壓保護(hù)控制器，它能夠在檢測到錯誤的VBUS工作條件時(shí)從輸出引腳斷開系統(tǒng)連接。這器件能夠高達(dá)20 V的正向過壓保護(hù)。由于集成了內(nèi)部PMOS FET，無需外部元件，從而降低了系統(tǒng)成本，并減少了電路板占用面積。此外，在旁路設(shè)置一個1 μF或更大的電容時(shí)，這器件還能夠提供ESD保護(hù)輸入(15 kV空氣放電)。NCP361則是一款正向過壓保護(hù)和過流保護(hù)控制器。它不僅能夠在檢測到輸入電壓超過過壓閥值時(shí)瞬時(shí)斷開輸出連接，而且得益于其過流保護(hù)能力，其集成的PMOS將在充電電流超過電流限制時(shí)關(guān)閉。
圖5 集成式OVP解決方案NCP348的應(yīng)用電路示意圖
另一種方案針對的就是通過USB端口(VUSB引腳)來充電。這種方案的充電電流為100 mA或500 mA，休眠模式下的電流為500 μA(NCP360和NCP361)或100 μA(NCP348)。
對于過壓而言，為了避免造成損傷，過壓保護(hù)器件的關(guān)斷時(shí)間必須盡可能地快。值得一指的是，無論是NCP360還是NCP348，與同類產(chǎn)品相比，其關(guān)斷時(shí)間都更短。以NCP348為例，它最長需要5 μs的關(guān)斷時(shí)間，而在3 V/μs 條件下，一般只需要 1.5 μs。而NCP360最長只需要1.5 μs，一般只需要0.8 μs。
總的來看，在為手機(jī)充電電路提供過壓保護(hù)方面，集成式OVP是最高效的解決方案，它不僅使得下游系統(tǒng)可與AC-DC適配器完全隔離，而且PCB占用空間最小，并且提供多種功能，如精度高、支持Enable和Status /FLAG引腳和提供過流保護(hù)等。此外，安森美半導(dǎo)體還可為墻式電源適配器與USB充電解決方案提供不同的專用元件，如NCP348、NCP360和NCP361等。
本文小結(jié)
本文重點(diǎn)探討了手機(jī)側(cè)充電電路的充電解決方案及過壓保護(hù)解決方案。作為全球領(lǐng)先的電源半導(dǎo)體及電路保護(hù)解決方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體提供一系列的高性能充電控制和過壓保護(hù)解決方案，滿足客戶的不同需求，幫助客戶更好地開發(fā)符合信產(chǎn)部要求的產(chǎn)品，并加快上市進(jìn)程。
