- 手機USB充電和過壓保護解決方案
- 針對性地進行設備熱模擬和溫度感應FET評估
- 將OVP驅動器與外部P-MOS配合使用
本文將重點結合手機側的要求來分析USB充電和過壓保護設計策略，以及相應的解決方案。
圖1 YD/T 1591-2006 標準所涵蓋手機側和充電器側兩大部分
手機充電要求及不同充電電路解決方案比較
通常所稱的手機充電器實際上是交流/直流(AC-DC)電源適配器，真正的充電電路乃是在手機內部。根據YD/T 1591標準要求，手機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；標準充電器的充電電流為300 mA至1,800 mA，非標準充電器(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，手持機側充電控制電路應能根據自身需求實施安全充電，不應出現過熱、燃燒、爆炸以及其它電路損壞的現象。
在手機內部的充電電路方面，業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。其中，對于分立式充電IC方案而言，優點在于便于增加或修改功能，從而更有利于實現產品差異化，此外，這種方案有利于實現困難的電路板布局，達到苛刻的電磁兼容要求，也具有更好的散熱特性。其缺點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等便攜設備設計帶來更大挑戰。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，易于實現小尺寸的外形因數，利于降低電路板布局的復雜性。包括安森美半導體在內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量應用。
圖2“PMU+充電功率元件”型充電解決方案的結構示意圖
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勢，適用于必須支持不同市場的產品。基于這種理念的設計不會占用太多電路板空間，但元件的位置可以更靈活，且易于實現產品的差異化。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。這種解決方案的結構示意圖如圖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方案的結構示意圖
結合圖2和圖3(a)所示，充電由PMU控制，MOSFET充當充電電流的傳輸元件。這里計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，壓降(Vdropout)概算為300 mV。也就是當充電器電流為500 mA時，典型的肖特基二極管的正向電壓(Vf)已經是400 mV，這就導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。因此，在今后的解決方案中應該避免使用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，具有極低的導通阻抗，其0.8 mm的高度也使其非常適合纖薄的應用環境；它針對便攜設備中的電池和負載管理應用進行了優化，適合于鋰離子電池充電和保護電路應用及高端負載開關應用。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通阻抗，適合于纖薄的便攜應用環境。
具體而言，采用雙FET的有利因素包括：阻塞反向電流、允許反向給藍牙配件充電，以及導通阻抗(Rds(on))較低。此外，對于MOSFET而言，由于它需要頻繁地進行開關操作，所以其發熱成為一項問題，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等額外功能可以建立熱控制環路，支持快速高效的充電方案和熱保護。
而在用雙FET作為充電功率元件進行500 mA甚至1,800 mA的大電流充電時，需要注意到許多設計考慮事項，如器件溫度、溫度的計算過程容易出錯等。不過，就近的節溫度傳感器可以改正部分錯誤，且準確的溫度調節可以實現高效的充電解決方案。此外，還需要針對性地進行設備熱模擬和溫度感應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，我們應注意其電流額定值、擊穿電壓、柵極閾值及熱性能等。我們可根據不同的 PMIC/PMU 和設計目標，采用不同的配置。
有效的過壓保護解決方案
根據YD/T 1591-2006標準，手機側充電控制電路應具備過壓保護裝置，也就是在手機充電接口導入直流6 V以上電壓時，如果不能保證安全充電，應啟動保護，在非預期電壓的情況下，不應出現過熱、燃燒、爆炸以及其它電路損壞的現象，而且恢復后，手機應能正常工作。如圖4所示，過壓保護(OVP)電路在檢測到過壓故障狀況時，檢測電路就會將開關打開，使電子負載與電源斷開，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 過壓保護電路啟用的原理示意圖
在為手機充電電路提供過壓保護方面，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高于6 V的電壓情形，如靜電放電(ESD)，其瞬間的應力電壓可能高達幾千伏甚至十幾千伏，這種情形下，可以施加瞬態電壓抑制器(TVS)二極管，以此處理瞬變極快的過壓故障。在這方面，安森美半導體的TVS二極管就非常適用。例如，在擊穿電壓為6.2 V時，安森美半導體的ESD5Z5.0T1.G能在幾納秒時間內就對符合IEC61000-4-2標準的高達30 kV的輸入電壓進行鉗位，且鉗位電壓可高達11.6 V，從而為系統中的關鍵元件提供可靠的ESD保護。
另一種分立型解決方案就是將OVP驅動器與外部P-MOS配合使用。安森美半導體的NCP346就是這樣一個適用的驅動電路，它能夠承受高達30 V的瞬態電壓。這器件設計用于感測過壓狀況，并快速地從負載斷開輸入的電壓，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門驅動器。搭配OVP驅動器與外部P-MOS時，其優點在于精度高、支持Enable引腳，且下游系統可與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適配器充電為手機提供高達2 A的電流和高達28 V的故障瞬態電壓的保護，在這方面，安森美半導體的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。其它的優點包括下游系統可與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規范。這種情況下的解決之道就是采用NCP360和NCP361過壓保護電路。NCP360是一款帶內置PMOS FET和狀態標記的USB正向過壓保護控制器，它能夠在檢測到錯誤的VBUS工作條件時從輸出引腳斷開系統連接。這器件能夠高達20 V的正向過壓保護。由于集成了內部PMOS FET，無需外部元件，從而降低了系統成本，并減少了電路板占用面積。此外，在旁路設置一個1 μF或更大的電容時，這器件還能夠提供ESD保護輸入(15 kV空氣放電)。NCP361則是一款正向過壓保護和過流保護控制器。它不僅能夠在檢測到輸入電壓超過過壓閥值時瞬時斷開輸出連接，而且得益于其過流保護能力，其集成的PMOS將在充電電流超過電流限制時關閉。
圖5 集成式OVP解決方案NCP348的應用電路示意圖
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，過壓保護器件的關斷時間必須盡可能地快。值得一指的是，無論是NCP360還是NCP348，與同類產品相比，其關斷時間都更短。以NCP348為例，它最長需要5 μs的關斷時間，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，在為手機充電電路提供過壓保護方面，集成式OVP是最高效的解決方案，它不僅使得下游系統可與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等。此外，安森美半導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
本文重點探討了手機側充電電路的充電解決方案及過壓保護解決方案。作為全球領先的電源半導體及電路保護解決方案供應商，安森美半導體提供一系列的高性能充電控制和過壓保護解決方案，滿足客戶的不同需求，幫助客戶更好地開發符合信產部要求的產品，并加快上市進程。
