手機USB充電和過壓保護設計方案

　　本文將重點結(jié)合手機側(cè)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(cè)和充電器側(cè)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(nèi)部。根據(jù)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(cè)充電控制電路應能根據(jù)自身需求實施安全充電，不應出現(xiàn)過熱、燃燒、爆炸以及其它電路損壞的現(xiàn)象。

　　在手機內(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。其中，對于分立式充電IC方案而言，優(yōu)點在于便于增加或修改功能，從而更有利于實現(xiàn)產(chǎn)品差異化，此外，這種方案有利于實現(xiàn)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(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，易于實現(xiàn)小尺寸的外形因數(shù)，利于降低電路板布局的復雜性。包括安森美半導體在內(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(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(jīng)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。

　　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(huán)境；它針對便攜設備中的電池和負載管理應用進行了優(yōu)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(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(fā)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(huán)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(jié)溫度傳感器可以改正部分錯誤，且準確的溫度調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)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(jù)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(jù)YD/T 1591-2006標準，手機側(cè)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(xiàn)過熱、燃燒、爆炸以及其它電路損壞的現(xiàn)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(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(nèi)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(tǒng)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(qū)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(qū)動電路，它能夠承受高達30 V的瞬態(tài)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(qū)動器。搭配OVP驅(qū)動器與外部P-MOS時，其優(yōu)點在于精度高、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